Инженеры научили умное оригами складываться самолётом
Учёные мечтают идеей создания «программируемой материи». Кто-то трудится с самостоятельно планирующими роботами, кто-то обучает уму-разуму жидкости.
Американцы же вынудили лист из стекловолокна, эластомерных сочленений, тонкоплёночных гибкой электроники и приводов складываться в фигуру лодки либо самолёта. Как оригами, лишь без прямого участия человека.
Эксперты Массачусетского технологического университета (MIT) и университета Гарварда (Harvard University) сделали, быть может, первый в мире ход на пути создания «программируемой материи» (programmable matter).
Команда, складывающаяся из Роберта Вуда (Robert Wood), Эрика Демэна (Erik Demaine), Даниэлы Рас (Daniela Rus) и их сотрудников, придумала и создала самоскладывающийся «лист».
Складные (развёртываемые) структуры тут и в том месте встречаются в природе. Как это часто бывает, как раз естественное оригами вдохновило учёных на создание неестественных аналогов (фото Tanya Puntti,David Laws2009/flickr.com).
Квадрат со стороной 4 сантиметра складывается из 32 жёстких треугольных плиток из стекловолокна, соединённых между собой эластичными силиконовыми сочленениями (толщиной порядка полмиллиметра) и плёнками из нитинола (nitinol), владеющего памятью формы.
В случае если подробность из титана сплава и этого никеля деформировать, то при нагреве она «отыщет в памяти» собственную прежнюю форму и возвратится к ней. В этом случае каждой плёнке задавали форму, согнув её пополам, зажав в тисках и прогрев до 420 °C в течение получаса.
После этого её разворачивали и позволяли остыть.
«Суставы» нынешнего прототипа могут машинально лишь складываться. Разгибать их обратно приходится вручную.
Но у создателей самооригами уже имеется сочленения, каковые смогут как закрываться, так и раскрываться. Тут нарисовано теоретическое и настоящее складывание лодочки (иллюстрация и фото Harvard University).
В будущем, в случае если необходимо сложить лист в определённую форму, любой «сустав» нагревают до 70 °C посредством подходящего к нему электрического проводка. И плёнка в течение нескольких секунд возвращается к согнутому состоянию.
До тех пор пока любой нитиноловый «сустав» разрешает двум соседним плиткам подниматься лишь в два положения – быть либо полностью открытыми, либо полностью закрытыми (соединёнными), но так как уже созданы материалы с памятью нескольких форм, возможно высказать предположение, что в будущем положений сгиба будет больше.
Актуатор в верхней (A) и нижней (B) частях самоскладывающегося страницы. элемент схемы и Силиконовое сочленение на сгибе в простом (C) и «сложенном» на 180° (D) состоянии.
Силиконовые сочленения, сложенные в два раза (E) и в четыре раза (F) (фото Robert Wood/Harvard SEAS, Daniela Rus/MIT).
Сегодняшний прототип снабжён 25 плёночными приводами, поделёнными на пять групп. Какие конкретно из них активируются и в какой последовательности, зависит от того, какую фигуру необходимо взять.
Кстати, держать взятую форму оказывают помощь миниатюрные магниты, расположенные в центре каждого треугольника (действительно, они же мешают сделать процесс обратимым).
Инженеры MIT и Гарварда пока не информируют, будут ли они решать проблему отсутствия реверсивности. Но в будущем такая «мультифункциональность» может понадобиться, поскольку разрешит складывать из одного страницы по мере необходимости (трансформации задач) различные фигуры.
«Мы придумываем метод складывания, чем-то напоминающий инструкцию к созданию той либо другой фигурки оригами. Где и как сложить составляющие страницы, определяет конечная форма фигуры», – говорит Вуд (фото Harvard University).
Как мы знаем, что американцы собираются сделать необычный оригами-лист независимым (не зависящим от контроля компьютера), и поэкспериментировать с количеством и размерами составляющих его треугольников.
Пока же расчётом будущей последовательности и формы складываний занимается соответствующее ПО. Подробнее о нём поведано в статье создателей необыкновенного «робота», размещённой в PNAS.
С повышением количества составляющих лист треугольников методы также станут сложнее, и, быть может, ПО кроме того получит возможность самостоятельно придумывать очерёдность действий для получения нужной фигуры.
«Представьте, что у вас в коробке с инструментами лежит одна универсальная конструкция, которая способна трансформироваться в любой инструмент для исполнения того либо иного типа работ», — грезит Вуд, не обращая внимания на то что до тех пор пока учёным доступны только простые формы. (Кстати, Роберт известен отечественным читателям по участию в проекте создания робопчёл.)
Эрик Демэн – страстный любитель оригами. А ещё ему весьма нравится стеклодувное дело.
Страшно представить, чем может обернуться второе его хобби. На фото справа: бумажные скульптуры, созданные Мартином и Эриком Демэнами (Martin Demaine) из 2-4 бумажных кругов с дыркой посередине, сложенных гармошкой в виде концентрических окружностей (фото с сайта erikdemaine.org).
Не считая программ усложнения и проблемы конфигурации существует и пара вторых. К примеру, в будущем нужно будет задуматься над оптимальным числом элементов, которое разрешало бы странице преобразовываться в различные формы для исполнения тех либо иных задач.
Нужно решить вопрос с прочностью создаваемых конструкций.
В случае если «живое» воплощение трансформеров в один раз станет действительностью, точно появится неприятность быстроты складывания/развёртывания совокупности. Но, всё это, само собой разумеется, нисколько не пугает техников, планомерно идущих к собственной цели.
Разработчики обещают, что в будущем, в то время, когда они набьют руку, смогут создавать, например, чашки, каковые меняют конфигурацию в зависимости от количества налитой в них жидкости.
Для чего человечеству такое – не светло, но звучит впечатляюще. На фото демонстрация универсальности подхода: гаечный ключ и скамейка, сложенные из одного и того же страницы (фото CSAIL MIT).
Складывать трёхмерные объекты «током», а не вручную инженеры придумали не забавы для а также не для совершенствования уже существующих роботов. Самосборные страницы понадобятся для самостоятельно разворачивающихся радиоантенн, необыкновенных солнечных батарей либо солнечных парусов, другой новой техники: летающей, плавающей, манипулирующей объектами.
Заинтересована в новинке и оборонная индустрия. Не напрасно же нынешнюю работу частично финансирует пентагоновское агентство по передовым изучениям DARPA.
«Меняющие форму страницы демонстрируют постоянный процесс. Это первый ход на пути создания повседневных вещей с механическими особенностями, заданными программой», – подводит результат Роберт Вуд.
