© ROOT-NATION.com - Використання контенту дозволено за наявністю зворотнього посилання.
Інженери з MIT розробили інноваційну систему модульних компонентів для створення розумних пристроїв зі змінною формою, які зберігають безперебійне електричне з’єднання у будь-якій конфігурації. Нова технологія дає змогу конструювати адаптивні інтерактивні гаджети, здатні самостійно розпізнавати поточне просторове положення без використання зовнішніх дротів. За словами науковців, 3D-друковані блоки, які отримали назву біфуркаційні схеми (bifur-circuits), належать до механічних метаматеріалів і відкривають широкі можливості для швидкого проєктування реабілітаційних меблів чи роботизованих захоплювачів.
Розроблені науковцями з MIT 3D-друковані будівельні блоки належать до різновиду структур, відомих як механічні метаматеріали. Їхнє поєднання дає змогу формувати значно більшу кількість потенційних конфігурацій порівняно зі стандартними метаматеріальними системами.
У дослідженні, що демонструє нову технологію, науковці презентували кілька інтерактивних предметів, зокрема крісло, яке здатне перетворюватися на столик із секцією для зберігання речей або повністю складатися для компактного транспортування. Така структура самостійно фіксує власну конфігурацію та надсилає відповідну інформацію на електронний дисплей. Подібні нові метаматеріали також придатні для проєктування комунікаційних і сенсорних антен, які можуть змінювати геометрію для корекції робочих частот відповідно до змін навколишнього середовища без використання громіздких механічних вузлів.
Метаматеріали спрощують виготовлення складних механічних систем завдяки застосуванню повторюваних елементів. Наша праця розширює ці дизайнерські межі. Якщо розглядати механічні метаматеріали як базові блоки, то створена технологія пропонує спосіб використання їхньої геометрії для інтеграції внутрішнього інтелекту безпосередньо в апаратне забезпечення, що відкриває чимало перспектив, зазначає Марва Аль-Алаві, аспірантка кафедри механічної інженерії та провідна авторка статті про ці пристрої.
Механічні метаматеріали є програмованими тривимірними структурами з періодичних елементів, що спроможні набувати складних форм завдяки особливій геометрії. Під час стискання, штовхання чи розтягування вони здатні згинатися або скручуватися за чітко заданими траєкторіями.
У попередніх дослідженнях вчені з MIT застосовували ауксетичні метаматеріали для конструювання трансформованих антен, які змінювали формацію на 3 можливі стани залежно від ступеня розтягування. Це дозволяло антені динамічно коригувати діапазон частот без залучення складних рухомих компонентів. Надалі команда прагнула збільшити варіативність антенних конфігурацій, однак зіштовхнулася з обмеженням, оскільки ауксетичні метаматеріали мали лише 3 фіксовані стани.
У поточній праці науковці створили біфуркаційні блоки – ауксетичні метаматеріали, які можуть формувати значно більше варіацій форм залежно від способу з’єднання та розвороту модульних елементів. Блоки також спроєктовані повністю електрично модульними. Завдяки особливому інтегруванню струмопровідного матеріалу електричні зв’язки всередині системи зберігаються незалежно від обертання, стискання чи скручування об’єкта під час набуття нових форм.
Для створення інтерактивних об’єктів із численними варіантами конфігурацій біфуркаційних схем використовують властивість, відому як механічна біфуркація. Механічна біфуркація полягає в раптовій зміні поведінки механізму, коли прикладене до нього зусилля доходить до критичної точки. Наприклад, якщо поступово згинати пластикову лінійку з краю, після досягнення певного порогу навантаження вона різко прогнеться.
У біфуркаційних схемах така біфуркація виникає під час обертання з’єднаних блоків певним чином навколо осі повороту. Ця властивість дозволяє скріпленим елементам формувати стабільніші конфігурації, ніж це міг би зробити один окремий блок. Додавання нових біфуркаційних контурів до загальної системи експоненціально збільшує кількість потенційних форм.
Біфуркація дає змогу істотно розширити цей простір трансформації. Долучення всього 1 додаткового елемента забезпечує величезну кількість нових комбінацій у межах тієї ж структури, пояснює Аль-Алаві. З’єднання та обертання компонентів активує унікальне електричне коло між суміжними блоками. Така інтерактивність дає змогу елементам обмінюватися даними між собою, завдяки чому структура самостійно визначає поточну форму.
Однією з найскладніших задач для науковців став пошук і впровадження струмопровідного матеріалу, який залишався б достатньо гнучким для згинання, але водночас забезпечував належну ефективність проходження струму. Провідний матеріал виявився обмеженням, під яке довелося підлаштовувати процес проєктування, і саме він визначив механізм зчитування сигналів між блоками, зазначає Аль-Алаві. Після доведення конструкції до досконалості науковці перевірили витривалість трансформованих систем, піддавши їх стисканню понад 10000 разів. Структури не виявили жодних ознак погіршення електричної провідності.
Крім того, дослідники розробили зручний інструмент для конструювання та симуляції, який спрощує процес розробки біфуркаційних схем. Це програмне забезпечення формує інструкції для багатоматеріального 3D-принтера, здатного виготовляти трансформовані об’єкти за 1 робочий цикл. Гнучкість застосування біфуркаційних контурів продемонстрували створенням крісла, яке зчитує власну геометрію під час трансформації в чайний столик, а також контролера зі змінною формою, що запускає 1 із кількох відеоігор залежно від обраної конфігурації.
У перспективі біфуркаційні схеми можуть знайти застосування в таких галузях, як інтерактивні реабілітаційні пристрої, адаптивні захоплювачі для модульної м’якої робототехніки або трансформовані укриття, здатні реагувати на погодні зміни після стихійного лиха.
Читайте також: Від зіткнень авто до поведінки човнів на воді: Як AI вчиться краще розуміти фізику реального світу