3D-принтер печатает «кольчугу» переменной жёсткости
Учёные Наньянского технологического университета (Nanyang Technological University, NTU) и Калифорнийского технологического института опубликовали в журнале Nature статью, в которой подробно описываются исследования новой «умной ткани», подобной кольчуге, которая изменяет жесткость при сжатии.
Сама кольчуга напечатана на 3D-принтере из нейлона, и каждое звено цепи имеет форму октаэдра. Пустотелость единичных частиц обеспечивает низкую плотность и в то же время высокую жесткость при растяжении ткани.
Отдельные «единичные частицы» топологически сцеплены подобно кольчуге образуя форму непрерывной рыхлой ткани. Несмотря на явно трёхмерные единичные частицы, ткань в целом больше похожа на 2-мерную структуру
Для контроля жёсткости структуры исследователи запаяли «кольчугу» в прозрачный пластиковый пакет, из которого можно откачивать воздух. Вакуум сжимал единичные частицы вместе, заставляя октаэдры «сцепляться» и, таким образом, ограничиваая движение каждого звена кольчуги, а, следовательно, увеличивая жёсткость общей структуры. Механизм, с помощью которого частицы сцепляются друг с другом, называется «переходным схватыванием» или «переходным заеданием».
Давление увеличивает плотность пакета, в результате каждая частица имеет больший контакт со своими соседями, в результате чего ткань октаэдр-структур становится в 25 раз более жёсткой. Сформированная в плоскую конструкцию, такая «зафиксированная» вакуумом ткань, может выдерживать нагрузку в 1,5 кг, что более чем в 50 раз превышает вес самой ткани.
Благодаря тому, что ткань построена с помощью октаэдров, готовая структура может фиксироваться в достаточно произвольных формах, например, как эта форма моста на иллюстрации.
В другом эксперименте исследователи бросили небольшой 30-граммовый стальной шарик на кольчугу. Удар деформировал ткань до 26 мм, когда она была «расслаблена», но только на 3 мм, когда она была жёсткой, что в шесть раз уменьшило глубину проникновения.
«Мы хотели создать материалы, которые могут изменять жёсткость по команде. Мы хотели бы создать ткань, которая переходит от мягкой и складываемой, к жёсткой несущей конструкции контролируемым образом»,- сказала профессор Кьяра Дарайо, профессор машиностроения и прикладной физики в Калифорнийском технологическом институте.
«Благодаря лёгкой и настраиваемой ткани, которую легко менять с мягкой на жёсткую, мы можем помочь пациентов, например, при создании экзоскелетов, могут помочь стоять, переносить грузы и выполнять повседневные задачи», — сказал Асст. Профессор Ифань Ван из Сингапурской школы машиностроения и аэрокосмической инженерии NTU.
«Вдохновленные древними кольчужными доспехами, мы использовали пластиковые полые частицы, которые сцеплены друг с другом, чтобы повысить жёсткость наших настраиваемых тканей», — сказал Асст. Профессор Ван из Школы механики и аэрокосмической инженерии NTU.
«Для дальнейшего повышения жёсткости и прочности материала мы работаем над тканями, изготовленными из различных металлов, включая алюминий. Такой материал уже будет пригоден для крупномасштабных промышленных применений, требующих более высокой грузоподъёмности, таких как мосты или здания».
Металлические структуры переменной жёсткости (Фото: Caltech)
В будущем команда Калифорнийского технологического института и NTU Сингапура намерена расширить свою деятельность на другие материалы, а также исследовать новые (без использования вакуума) средства контроля жёсткости тканевых структур, такие как магнетизм, электричество или температура.
Узнать больше о кольчуге (и, возможно, даже спроектировать и распечатать свою собственную), вы можете с помощью научной статьи, по ссылке.