Технологичные молнии конструктор

Технологиям потребовалось 40 лет, чтобы догнать эту революционную застежку-молнию

Патент, выданный несколько десятилетий назад профессором Массачусетского технологического института Биллом Фрименом, вдохновил нас на создание новой «Y-образной молнии» — трехсторонней застежки, которая позволяет одним нажатием кнопки придать нужную форму механизмам, роботам и произведениям искусства.

Задолго до того, как роботы, способные менять форму, и само собирающиеся конструкции стали инженерными задачами, один профессор Массачусетского технологического института уже представлял себе молнию, которая могла бы превращать гибкие материалы в жесткие по первому требованию. В чем была проблема? В 1985 году технологий, необходимых для ее создания, просто не существовало.

В том году Фонд инновационного дизайна разместил объявление в Scientific American, предложив до 10 000 долларов за оригинальные идеи в области дизайна одежды, текстиля и интерьера. Уильям Фримен, доктор философии, выпускник 1992 года, в то время инженер-электрик в компании Polaroid, а ныне профессор Массачусетского технологического института, предложил необычную концепцию: трехстороннюю молнию, которая могла бы мгновенно переводить предметы из мягкого состояния в жесткое и обратно. Вместо того чтобы застегивать куртки или брюки, Фримен предложил использовать эту технологию для складывания таких предметов, как палатки, стулья и сумки, в плоскую форму для транспортировки, а затем для создания прочных трехмерных конструкций при помощи молнии.

Его прототип был похож на треугольную версию обычной молнии. Три гибкие полоски с узкими деревянными «зубцами» можно было соединить с помощью скользящего механизма, и тогда получалась жесткая треугольная трубка. Идея была отвергнута, но Фримен запатентовал изобретение и хранил прототип в гараже, будучи уверенным, что когда-нибудь оно найдет свое применение.

Почти четыре десятилетия спустя исследователи из Лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта Массачусетского технологического института (CSAIL) вернулись к этой идее, когда искали способы создания объектов с “настраиваемой жесткостью”. Более ранние методы изменения жесткости были либо сложными в обращении, либо требовали ручной сборки. CSAIL отреагировала на это, создав инструмент для автоматизированного проектирования и адаптируемую застежку под названием “Y-образная молния”.

Программное обеспечение позволяет пользователям создавать трехсторонние молнии по индивидуальному заказу, которые затем автоматически печатаются на 3D-принтере из пластика. Полученные застежки можно прикреплять к туристическому снаряжению, медицинским приборам, роботам и арт-объектам или встраивать в них, чтобы упростить сборку.

«Обычная молния отлично подходит для застегивания плоских предметов, например куртки, но Фримен придумал нечто более динамичное. Используя современные производственные технологии, его механизм может преобразовывать более сложные предметы, — говорит постдокторант Массачусетского технологического института и исследователь Лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта Массачусетского технологического института Цзяцзи Ли, которая является ведущим автором статьи в открытом доступе, посвященной этому проекту. — Мы разработали процесс, который позволяет создавать объекты, которые можно быстро трансформировать из гибких в жесткие, и вы можете быть уверены, что они будут работать в реальных условиях».

Почему именно молнии?

С помощью программного обеспечения CSAIL пользователи могут выбрать, как будет выглядеть застежка после закрытия. Они могут задать длину каждой полоски и выбрать направление и угол ее изгиба. Они также могут выбрать один из четырех основных вариантов движения, определяющих форму застежки в закрытом состоянии: прямая, изогнутая в виде арки, спиралевидная, как пружина, или скрученная, как винты.

Готовая Y-образная молния, похоже, меняет форму в физическом мире. В раскрытом виде она может растягиваться, как кальмар с тремя вытянутыми щупальцами. В закрытом виде она сжимается, приобретая более компактную форму (например, становится похожей на удочку). Такая гибкость может пригодиться в путешествиях и при использовании туристического снаряжения. Установка палатки в одиночку может занять до шести минут, но с помощью Y-образной молнии этот процесс занял одну минуту и 20 секунд. Каждая дуга крепится к боковой стенке палатки, поддерживая конструкцию сверху, благодаря чему застежка надежно фиксирует купол.

Плавный переход между мягким и жестким состояниями также может помочь в создании более гибких носимых устройств, особенно для медицинских целей. Команда обернула запястье пациента с гипсовой повязкой застежкой-молнией, чтобы можно было ослаблять ее в течение дня и застегивать на ночь, чтобы предотвратить дальнейшие травмы. Таким образом, устройство, которое обычно кажется жестким, может стать более удобным и соответствовать потребностям пациента.

Система также может помочь в разработке технологий, которые приводятся в действие одним нажатием кнопки. После изготовления к Y-образной застежке можно прикрепить мотор, чтобы автоматизировать процесс застегивания. Исследователи использовали этот подход для создания адаптивного робота-четвероногого. Однажды такой робот сможет менять длину своих ног, вытягивая их или раздвигая, чтобы опуститься ближе к земле. Подобные быстрые изменения формы могут помочь роботам перемещаться по неровной местности, например в каньонах или лесах. С помощью застежек-молний с электроприводом можно создавать движущиеся арт-инсталляции. В одном из примеров команда создала длинный вьющийся цветок, который «распускался», когда неподвижный мотор застегивал молнию.

Усвоение материала

Ли и его коллеги увидели множество вариантов применения Y-образной молнии, но им все равно нужно было проверить, выдержит ли она многократное использование.

Команда начала с нагрузочных испытаний. Они сравнили полимолочную кислоту (PLA) и термопластичный полиуретан (ТПУ) — два вида пластика, которые часто используются в 3D-печати. Машина сгибала Y-образные молнии вниз, показывая, что PLA может выдерживать более высокие нагрузки, а ТПУ более гибкий.

В ходе отдельного испытания исследователи из Калифорнийского института интегральных исследований использовали привод, чтобы многократно открывать и закрывать застежку до тех пор, пока она не выйдет из строя. Застежка-молния Y сломалась после примерно 18 000 циклов. Согласно результатам 3D-моделирования, ее прочность обусловлена эластичной структурой, которая более равномерно распределяет нагрузку при больших усилиях.

Несмотря на эти результаты, Ли считает, что можно создать более прочную версию из более твердых материалов, например из металла. Команда также может увеличить размер застежек для более крупных проектов, хотя их нынешняя система 3D-печати пока не позволяет печатать изделия такого размера.

Ли также указывает на возможности применения, которые пока практически не изучены. В космических исследованиях Y-образные застежки можно было бы встроить в космический аппарат и использовать для сбора образцов горных пород. Подобные застежки можно было бы использовать в конструкциях, предназначенных для быстрой сборки, чтобы помочь спасательным командам оперативно устанавливать укрытия или медицинские палатки после стихийных бедствий или во время спасательных операций.

«Переосмысление обычной застежки-молнии для решения задач, связанных с трехмерными морфологическими переходами, — это блестящий подход к динамической сборке, — говорит доцент Чжэцзянского университета Гуаньюнь Ван, не принимавший участия в написании статьи. — Что еще важнее, он эффективно устраняет разрыв между мягкими и жесткими состояниями, предлагая масштабируемый и инновационный подход к производству, который принесет большую пользу при разработке воплощенного интеллекта в будущем».