17 Октября 2017

Инструментарий для трансформируемых материалов.

Метаматериалы - материалы, функция которых определяется структурой, а не композицией, - предназначены для изгибания света и звука, преобразования от мягких к жестким и даже ослабевающих сейсмических волн от землетрясений. Но каждая из этих функций требует уникальной механической структуры, что делает эти материалы полезными для конкретных задач, но их трудно реализовать на деле.

Но что, если материал может содержать в своей структуре, множестве функций и легко и автономно переключаться между ними? Исследователи из Школы инженерных и прикладных наук Гарварда Джона А. Полсона (SEAS) и Института биологически вдохновенной науки Wyss разработали общую структуру для разработки реконфигурируемых метаматериалов. Стратегия проектирования независима от масштаба, то есть она может применяться ко всему: от метровых архитектур до реконфигурируемых наномасштабных систем, таких как фотонные кристаллы, волноводы и метаматериалы для управления теплом.

«Что касается реконфигурируемых метаматериалов, проектные пространства невероятно велики, и поэтому задача состоит в разработке умных стратегий для ее изучения», - сказала Катя Бертольди, доцент естественных наук в SEAS.

«Мы были поражены тем, как легко он мог складываться и менять форму, - сказала Бертольди. «Мы поняли, что эти простые геометрии могут быть использованы в качестве строительных блоков для формирования нового класса реконфигурируемых метаматериалов, но нам потребовалось много времени, чтобы определить надежную стратегию проектирования для достижения этого».

Междисциплинарная команда поняла, что сборки полиэдров могут использоваться в качестве шаблона для проектирования экструдированных реконфигурируемых тонкостенных конструкций, что значительно упрощает процесс проектирования.

«Объединив дизайн и вычислительное моделирование, мы смогли идентифицировать широкий спектр различных перестроек и создать план или ДНК для создания этих материалов в будущем», - сказал Овервельд, ныне научный руководитель группы Soft Robotic Matter в FOM Institute AMOLF в Нидерландах.

Одни и те же вычислительные модели также могут использоваться для количественной оценки всех различных способов изгиба материала и того, как это влияет на эффективные свойства материала, такие как жесткость. Таким образом, они могут быстро сканировать около миллиона различных дизайнов и выбирать подходящий вариант.

После того, как был выбран конкретный проект, команда построила рабочие прототипы каждого трехмерного метаматериала, используя лазерный картон и двустороннюю ленту, и многостраничную трехмерную печать. Подобно оригами, результирующая структура может складываться вдоль их краев для изменения формы.

«Теперь, когда мы решили проблему формализации дизайна, мы можем начать думать о новых способах изготовления и переконфигурирования этих метаматериалов в меньших масштабах, например, путем разработки самонастраивающихся экологически безопасных прототипов с трехмерной печатью».

«Эта структура похожа на инструментарий для создания реконфигурируемых материалов», - сказал Хоберман. «Эти строительные блоки и пространство для дизайна невероятно богаты, и мы только начали изучать все, что вы можете построить с ними».