Исследователи из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн, Технологического института Джорджии и Токийского университета разработали новую конфигурацию «трубки на молнии», которая делает бумажные структуры достаточно жесткими, чтобы выдерживать вес, но при этом их можно складывать, что упрощает транспортировку и хранение. Их метод может быть применен к другим тонким материалам, таким как пластик или металл, для преобразования конструкций из мебели в здания в микроскопических роботов.
Научный сотрудник из Иллинойса Евгений Филипов, технологический профессор Джорджии Глаусио Паулино и профессор Токийского университета Томохиро Тачи опубликовали свои работы в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Конструкции оригами могут быть полезны во многих инженерных и повседневных применениях, например, в роботизированной руке, которая может вытягиваться и сжиматься, в строительном кране, который может складываться, чтобы поднять или доставить груз, или в выдвижной мебели.
Паулино видит особый потенциал для быстрого монтажа аварийных укрытий, мостов и другой инфраструктуры после стихийного бедствия.
«Оригами стало больше целью инженерии и науки только в последние пять лет или около того», – сказал Филипов. "Во многом это было связано с освоением космоса, чтобы иметь возможность компактно запускать конструкции и развертывать их в космосе. Но мы начинаем видеть, как у него есть потенциал для множества различных областей инженерии. Вы можете изготовить что-то заранее на заводе, компактно отправить и развернуть на месте."
Исследователи используют особую технику оригами – складывание миура-ори. Они делают аккуратные зигзагообразно сложенные полоски бумаги, а затем склеивают две полоски вместе, чтобы получилась трубка. В то время как отдельная полоса бумаги очень гибкая, трубка более жесткая и не сгибается во многих направлениях.
Исследователи попробовали соединить трубы в различных конфигурациях, чтобы увидеть, добавляется ли это к структурной жесткости бумажных структур. Они обнаружили, что соединение двух трубок в виде застежки-молнии делает их намного жестче, и их труднее скручивать или сгибать. Конструкция складывается плоско, но быстро и легко расширяется до конфигурации жесткой трубы.
"Геометрия действительно играет роль", – сказал Паулино, бывший профессор гражданской и экологической инженерии из Иллинойса. "Мы странным образом соединяем две трубки вместе. Нам нужна гибкая и одновременно жесткая конструкция. Это просто бумага, но она невероятно жесткая."
Конфигурация застежки-молнии работает даже с тубами, которые имеют разные углы складывания. Комбинируя трубы разной геометрии, исследователи могут создавать множество различных трехмерных структур, таких как мост, навес или башня.
«Возможность изменять функциональные возможности в реальном времени – реальное преимущество оригами», – сказал Филипов. "Имея эти трансформируемые конструкции, вы можете изменить их функциональность и сделать их адаптируемыми.
Они реконфигурируемы. Вы можете изменить характеристики материала: вы можете сделать их более жесткими или мягкими в зависимости от предполагаемого использования."
По словам Филипова, команда использует бумажные прототипы, чтобы продемонстрировать, как из тонкого гибкого листа можно сложить функциональные конструкции, но их методы могут быть применены к другим тонким материалам.
В крупномасштабных приложениях можно комбинировать металлические или пластиковые панели с петлями.
Затем исследователи планируют изучить новые комбинации трубок с разными углами складывания, чтобы построить новые конструкции. Они также надеются применить свои методы к другим материалам и изучить приложения от крупномасштабного строительства до микроскопических структур для биомедицинских устройств или робототехники.
«Все эти идеи применимы от наноразмеров и микромасштабов до крупных масштабов и даже структур, которые НАСА развернет в космосе», – сказал Паулино. "В зависимости от вашего интереса количество приложений бесконечное.
Мы только что поцарапали поверхность. Если у вас есть мощная концепция, которой, как мы думаем, является застежка-молния, вы можете исследовать приложения во многих различных областях."