Настроил и забыл: автономные конструкции можно запрограммировать на прыжок за несколько дней до события

Исследователи создали динамические структуры, которые взмывают в воздух по заранее заданному расписанию без вмешательства компьютеров или внешних раздражителей. То, когда именно эти «метаоболочки» взмывают в воздух и на какую высоту, заложено в физической структуре материалов.

«Существуют конструкции, которые «подпрыгивают» сразу же после снятия нагрузки, например, когда отпускается спиральная пружина, — говорит Цзе Инь, автор статьи об этой работе и доцент кафедры машиностроения в Университете штата Северная Каролина. – Мы хотели создать структуру, которая не зависит от внешних раздражителей и позволяет нам заранее задавать время прыжка. Мы разработали методику, которая позволяет нам точно планировать, когда структура начнёт действовать, будь то через секунды или через часы».

Для этой работы исследователи создали сферические структуры из нитей материала под названием полиэтилентерефталат (ПЭТ), которые соединены в сложную решётчатую структуру. Конструкция структуры максимально увеличивает способность материала накапливать энергию.

Статья «Программируемая задержка от нескольких секунд до нескольких дней в метаоболочке» опубликована в Трудах Национальной академии наук. Соавторами статьи являются Цайчжи Чжоу и Фанцзе Ци, аспиранты Университета штата Северная Каролина.

Многодневная задержка прыжка при снятии нагрузки

Когда на конструкцию воздействует нагрузка, она деформируется, но при снятии нагрузки возвращается к своей первоначальной форме. Однако ПЭТ обладает свойствами вязкоупругого материала, что означает, что он не сразу принимает первоначальную форму.

Вместо этого, как только нагрузка снимается, вязкоупругая метаоболочка медленно начинает «возвращаться» к своей первоначальной форме, пока не достигнет критической точки, в которой она резко возвращается к своей первоначальной форме. И чем дольше нагрузка воздействует на конструкцию, тем дольше она будет возвращаться к своей первоначальной форме после снятия нагрузки.

«В итоге, если вы приложите нагрузку к нашей сферической метаоболочке, она сожмётся до формы, напоминающей бутон цветка, — говорит Хайтао Цин, первый автор статьи и аспирант Университета штата Северная Каролина. – Когда цветочный бутон возвращается в сферическую форму, высвобождаемая энергия подбрасывает конструкцию в воздух. И вы можете точно определить, когда произойдёт этот прыжок, контролируя, как долго на конструкцию действует нагрузка. Это также влияет на высоту прыжка метаоболочки, потому что чем дольше действует нагрузка, тем ниже прыгнет метаоболочка».

«Свойства материала играют решающую роль, а конструкция созданной нами структуры усиливает эти свойства, — говорит Инь. – Материал обладает вязкоупругими свойствами, а конструкция отвечает за накопление упругой энергии, и обе эти характеристики имеют решающее значение для эффективности этой технологии».

В ходе испытаний исследователи продемонстрировали, что прыжки можно планировать на срок от трёх секунд до 58 часов вперёд. Метаоболочки могли подпрыгивать на высоту, в девять раз превышающую их собственную, или всего на 0,5 высоты, в зависимости от того, насколько заранее были запланированы прыжки.

Исследователи также показали, что метаоболочки могут эффективно прыгать на различных поверхностях — от твёрдых до песка, снега или воды — и при температуре до минус 15 градусов по Цельсию. Более того, метаоболочки могут быть наполнены грузом, например семенами, и будут разбрасывать это содержимое при прыжке.

«Для этого эксперимента нас вдохновило взрывное распространение семян, которое мы наблюдаем в природе, например у недотроги бальзаминовой, — говорит Цин. – Мы показали, что 100-миллиметровая метаоболочка способна разбрасывать семена на площади 1,5 метра».

«В дальнейшем мы заинтересованы в изучении биоразлагаемых материалов, которые можно было бы использовать в этой конструкции, а также в исследовании различных потенциальных областей применения, — добавил Инь. — Мы также открыты для сотрудничества с другими исследователями или частным сектором в поиске способов применения этой технологии».

Источник: Tech Xplore