Исследователи создали полимерную структуру « китайского фонаря », которая быстро превращается в более чем десять изогнутых трехмерных форм, сжимая или скручивая оригинальную структуру. Это быстрое деформационное поведение можно дистанционно управлять с помощью магнитного поля, что позволяет его применять в различных сценариях. Соответствующая исследовательская работа « Перепрограммируемая деформационная морфогенез свободно висящих ленточных кластерных клеток путем накопления упругой энергии » была опубликована в журнале Nature Materials. Авторами статьи являются докторанты Университета штата Северная Каролина Caizhi Zhou и Haitao Qing, а также Yinding Chi, который учился в этом университете и в настоящее время занимается постдокторскими исследованиями в Пенсильванском университете.

Эта базовая конструкция фонаря состоит в том, чтобы сначала разрезать полимерные листы на параллелограммы, похожие на ромб, а затем разрезать ряд параллельных линий в центре каждого листа, образуя тем самым ряд идентичных полос, соединенных сплошными полосами сверху и снизу листа. Соединяя левый и правый концы верхней и нижней сплошной полосы, полимерный лист образует примерно сферическую трехмерную структуру в форме китайского фонаря.

Автор-корреспондент статьи и профессор механической и аэрокосмической инженерии Университета штата Северная Каролина Джи Инь (Jie Yin) сказал, что эта базовая форма сама по себе обладает бистабильными свойствами, то есть у нее есть две стабильные формы. Он, конечно, может стабильно поддерживать форму фонаря, но если сжать конструкцию сверху вниз, она медленно начнет деформироваться, пока не достигнет критической точки, когда она внезапно превращается во вторую стабильную форму, похожую на гироскоп. В форме гироскопа структура накапливает всю энергию, которая используется для ее сжатия. Таким образом, как только структура начинается тянуть вверх, она достигает узла, и вся накопленная энергия мгновенно высвобождается, чтобы она быстро возвращалась в форму фонаря.

И Янди, первый автор статьи, который учился в Университете штата Северная Каролина и сейчас занимается постдокторскими исследованиями в Университете Пенсильвании, сказал, что они обнаружили, что многие другие формы могут быть созданы, скручивая форму, складывая сплошную полосу сверху или снизу фонаря внутрь или наружу или объединяя эти операции в любой комбинации. Каждое из этих вариаций также имеет мультистационарные характеристики. Некоторые могут переключаться между двумя устойчивыми состояниями, а другие имеют четыре устойчивых состояния, в зависимости от того, сжимается ли конструкция, скручивается или сжимается и скручивается одновременно.

Исследователи смогли использовать магнитное поле для удаленного сжатия или скручивания этих структур, прикрепляя тонкую магнитную пленку к сплошной полосе в нижней части конструкций. Затем они продемонстрировали несколько приложений, которые используют быстрый переход между двумя стабильными формами, включая неинвазивные зажимы для захвата рыбы, фильтры, которые управляют потоком воды путем открытия и закрытия, и конструкции, которые могут быстро разворачиваться из компактной формы в высокую форму для открытия обрушившейся трубы.

Исследователи также разработали математическую модель, способную улавливать, как различные углы в структуре управляют каждой изменяющейся формой и количеством энергии, накопленной в каждом устойчивом состоянии. И Янди сказал, что эта модель позволяет им установить форму, которую они хотят создать, стабильность этой формы и силу, которую форма может генерировать, когда накопленная потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию, что имеет решающее значение для создания формы, способной выполнять предполагаемое применение.

И Цзе утверждает, что в будущем эти фонарные блоки могут быть собраны в двумерные и трехмерные структуры, которые широко используются в области механических метаматериалов с деформацией формы и робототехники, и они будут и дальше проводить соответствующие исследования.