Но что, если бы материал мог содержать в своей структуре несколько функций и легко и автономно переключаться между ними?Исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук им.
Джона А. Полсона (SEAS) и Института биологической инженерии Висса разработали общую основу для разработки реконфигурируемых метаматериалов. Стратегия проектирования не зависит от масштаба, что означает, что ее можно применять ко всему, от архитектур метрового масштаба до реконфигурируемых наноразмерных систем, таких как фотонные кристаллы, волноводы и метаматериалы для отвода тепла.Исследование опубликовано в журнале Nature.
«Что касается реконфигурируемых метаматериалов, пространство для проектирования невероятно велико, поэтому задача состоит в том, чтобы придумать умные стратегии для его исследования», — сказала Катя Бертольди, доцент естественных наук в SEAS Джона Л. Леба и старший автор книги. бумага. «Благодаря сотрудничеству с дизайнерами и математиками мы нашли способ обобщить эти правила и быстро создать множество интересных проектов».Бертольди и бывший аспирант Йоханнес Овервельде, который является первым автором статьи, сотрудничали с Чаком Хоберманом из Гарвардской высшей школы дизайна (GSD) и младшим преподавателем в Wyss и Джеймсом Уивером, старшим научным сотрудником Wyss, спроектировать метаматериал.Исследование началось в 2014 году, когда Хоберман показал Бертольди свои оригинальные проекты семейства складных конструкций, включая прототип экструдированного куба. «Мы были поражены тем, насколько легко он складывался и менял форму», — сказал Бертольди. «Мы поняли, что эту простую геометрию можно использовать в качестве строительных блоков для формирования нового класса реконфигурируемых метаматериалов, но нам потребовалось много времени, чтобы определить надежную стратегию проектирования для достижения этой цели».Междисциплинарная команда поняла, что сборки многогранников можно использовать в качестве шаблона для проектирования экструдированных реконфигурируемых тонкостенных структур, что значительно упрощает процесс проектирования.
«Объединив дизайн и компьютерное моделирование, мы смогли идентифицировать широкий спектр различных перестроек и создать план или ДНК для создания этих материалов в будущем», — сказал Овервельде, ныне руководитель научной группы группы Soft Robotic Matter в Институте FOM. AMOLF в Нидерландах.Те же вычислительные модели могут также использоваться для количественной оценки всех различных способов изгиба материала и того, как это влияет на эффективные свойства материала, такие как жесткость.
Таким образом, они могли быстро сканировать около миллиона различных дизайнов и выбирать те, которые имеют предпочтительный ответ.После того, как был выбран конкретный дизайн, команда создала рабочие прототипы каждого 3D-метаматериала, используя как картон, вырезанный лазером, и двусторонний скотч, так и многоматериальную 3D-печать. Подобно оригами, получившуюся конструкцию можно сложить по краям, чтобы изменить форму.
«Теперь, когда мы решили проблему формализации дизайна, мы можем начать думать о новых способах изготовления и реконфигурирования этих метаматериалов в меньших масштабах, например, путем разработки самодействующих экологически чистых прототипов, напечатанных на 3D-принтере». — сказал Уивер.Эта формализованная структура проектирования может быть полезна для инженеров-строителей и аэрокосмических инженеров, материаловедов, физиков, инженеров-робототехников, инженеров-биомедиков, дизайнеров и архитекторов.
«Эта структура похожа на набор инструментов для создания реконфигурируемых материалов», — сказал Хоберман. «Эти строительные блоки и пространство для дизайна невероятно богаты, и мы только начали исследовать все, что вы можете построить с их помощью».