Ученые MIT напечатали на 3D-принтере сетчатые конструкции, способные изменять форму при изменении температуры

При изменении температуры окружающей среды плоские модели превращаются в заранее предопределенные объемные формы. Новые структуры могут трансформироваться в конфигурации, которые являются более сложными, чем те, которые могут быть получены из других материалов и структур, изменяющих форму.

В качестве демонстрации ученые напечатали на 3D-принтере плоскую сетчатую модель, которая при изменении температуры принимает форму человеческого лица. Команда также представила сетку с проводящим жидким металлом, которая превращается в купол для формирования активной антенны, резонансная частота которой изменяется по мере ее деформации.

Исследователи отмечают, что в будущем технологию можно будет использовать для проектирования развертываемых конструкций, таких как тентов или укрытий, которые автоматически раскладываются и разворачиваются при изменении температуры или других условий окружающей среды, использоваться в качестве стентов или поддерживающих конструкций для искусственных тканей или в качестве деформируемых линз в телескопах.

Два года назад Вимм ван Риз, доцент кафедры машиностроения MIT, придумал теоретический проект преобразования тонкого плоского листа в сложную форму, такую как человеческое лицо. Для этого он применил подход обратного дизайна, т. е. идея заключалась в том, чтобы начать со сложной трехмерной формы, которую надо получить, а затем запрограммировать материал, чтобы он принял эту форму.

Для решения задачи он придумал формулу для расчета сил растяжения и сжатия, с помощью которых лист материала мог бы достичь нужной формы. Быстро выяснилось, что этот метод не применим к большинству физических материалов, по крайней мере, если пытаться работать с непрерывными листами, т. к. большинство реальных материалов имеют ограниченные возможности для таких изменений формы. Например, при попытке упаковать футбольный мяч в подарочную упаковку, бумагу, которая не имеет кривизны, нужно многократно сгибать, чтобы обернуть сферу.

Для получения возможности придания двойной кривизны плоской поверхности, исследователи изменили структуру со сплошного листа на сетку. Они спроектировали каждое отдельное ребро решетки так, чтобы оно сгибалось на заданный градус. Для каждого ребра они также использовали четыре более маленьких, расположив их по двое на одной линии поверх двух других. Все четыре мини-ребрышка были сделаны из тщательно подобранных вариантов базового материала, чтобы откалибровать необходимые различные реакции на изменения температуры. С их помощью исследователи запрограммировали поведение больших ребер сетки, которые могут изгибаться для формирования части носа или опускаться вниз в качестве части глазной впадины.