Материалы, которые изменяют свои свойства в ответ на определенные стимулы, могут занять достойное место во многих областях, от робототехники до медицины и современной техники. Новый пример этого типа технологии изменения формы смоделирован на древней кольчужной броне, позволяющей быстро переключаться с гибкой на жесткую благодаря тщательно расположенным взаимосвязанным частицам.
Этот материал был разработан учеными из Сингапурского технологического университета Наньян и Калифорнийского технологического института в США, которые описывают его как тип «пригодный для носки структурированной ткани». С точки зрения физики, его возможности стали возможными благодаря так называемому переходу от заклинивания, по тому же принципу, который заставляет запечатанный в вакууме рис или бобы затвердеть, когда они плотно упакованы, оставляя частицам мало места для движения.
Команда намеревалась разработать ткань, которую можно было бы легко превратить из мягкой и складной в жесткую и несущую, указывая, например, на то, как плащ Бэтмена может превращаться в планер в фильме «Бэтмен: Начало» 2005 года . Чтобы сделать это, команда начала исследовать, как структурированные, но полые частицы могут быть связаны друг с другом, чтобы сформировать ткань с жесткостью, которую можно изменить по команде.
«Вдохновленные древними кольчужными доспехами, мы использовали пластиковые полые частицы, которые сцеплены друг с другом, чтобы повысить жесткость наших регулируемых тканей», - говорит автор исследования доцент Ван Ифань. «Чтобы еще больше повысить жесткость и прочность материала, мы сейчас работаем над тканями, изготовленными из различных металлов, включая алюминий, которые могут быть использованы для более крупных промышленных приложений, требующих более высокой грузоподъемности, таких как мосты или здания».
Частицы в форме октаэдра напечатаны на 3D-принтере из нейлонового пластика в виде кольчуги, которая затем помещается в пластиковый конверт и уплотняется с помощью вакуума. Это увеличило плотность упаковки, втягивая тщательно разработанные частицы и увеличивая точки соприкосновения между ними, в результате чего структура стала в 25 раз более жесткой.
При преобразовании в плоскую структуру, похожую на стол, ткань способна выдерживать нагрузки в 1,5 кг, что в 50 раз превышает ее собственный вес. В другом испытании небольшой стальной шарик упал на ткань, когда она была ослаблена, в результате чего она деформировалась на величину до 26 мм, а затем снова упала, когда она была жесткой, что деформировало ее только на 3 мм.
Затем ученые напечатали на 3D-принтере версию материала с использованием алюминия, который, как они обнаружили, обладает такой же податливостью и мягкостью, что и нейлоновая версия. Но когда он был «зажат» вместе, материал оказался намного жестче из-за более прочных свойств алюминия по сравнению с нейлоном.
Там, где для герметизации нейлоновой версии использовался пластиковый конверт, команда предполагает, что эта металлическая версия может быть инкапсулирована кевларом, чтобы сформировать защитную ткань для пуленепробиваемых жилетов. Другие потенциальные приложения для любой версии включают экзоскелеты, адаптивные модели, которые изменяют жесткость, или даже мосты, которые можно развернуть и укрепить по запросу.
