В ходе испытаний, подтверждающих работоспособность концепции, модуль, оснащенный всего 10 такими внутренними весами, смог выдержать усилие сжатия примерно в 10 Ньютонов.
Природа потратила миллионы лет на совершенствование броненосца, этого бронированного млекопитающего. Ученые-материаловеды только что воссоздали его панцирь в лаборатории с помощью 3D-принтеров, серебряных нанопроводов и прочной бумаги.
Команда из Университета штата Северная Каролина создала кожу «робота-броненосца», официально названную защитным модулем Morpho-Interlocking Protective Module (MIPM). Интересно, что она чувствует опасность и мгновенно сворачивается в жесткий защитный панцирь.
Это динамический бронекостюм, предназначенный для защиты следующего поколения хрупких технологий, особенно несовершенных машин.
«В области мягкой робототехники и гибкой электроники наблюдается значительный рост, но эти устройства зачастую также хрупки», — сказал Йонг Чжу, заслуженный профессор кафедры машиностроения и аэрокосмической техники имени Эндрю А. Адамса в этом университете.
«Наша цель состояла в том, чтобы разработать решение, которое позволит этим хрупким технологиям функционировать, но при необходимости обеспечит их защиту», — добавил ведущий автор исследования.
Разработан для завивки
Главное достоинство новой защитной технологии заключается в ее многослойной конструкции.
Модульная конструкция имеет трехслойную структуру, позволяющую трансформироваться из гибкого состояния в жесткое. Его внешний экзоскелет изготовлен из чешуек из смолы, напечатанных на 3D-принтере, а внутренний эндоскелет использует сложенные бумажные ребра для размещения взаимосвязанных полимерных чешуек.
В центре находится сенсорный и управляющий слой, состоящий из эластичного полимерного датчика деформации со встроенными серебряными нанопроволоками, проводящего тканевого нагревателя, жидкокристаллического эластомера и каптоновой ленты.
Однако, когда встроенный датчик деформации обнаруживает угрозу — будь то легкое сжатие или внезапный удар — он подает сигнал блоку управления, который отправляет питание на внутренний нагревательный слой.
Этот нагрев запускает молекулярное противостояние. С одной стороны, жидкокристаллический эластомер сжимается. С другой стороны, слой каптоновой ленты расширяется. Это синхронное движение заставляет всю структуру скручиваться внутрь, обволакивая себя защитным кругом, при этом напечатанные на 3D-принтере смоляные чешуйки обращены наружу.
Но простого изгиба недостаточно, чтобы остановить сильный удар. По мере того, как модуль изгибается, ряд жестких полимерных чешуек, прикрепленных к сложенному бумажному эндоскелету, плотно сцепляются друг с другом. Этот механизм сцепления превращает мягкий, гнущийся материал в очень жесткий внутренний каркас, способный поглощать силы.
Охрана технологий следующего поколения
В ходе испытаний система обнаружила деформацию и запустила ее преобразование в защитную оболочку. Более того, команда обнаружила, что увеличение количества сегментарных чешуек во внутреннем скелете повышает общую жесткость и прочность структуры.
«Благодаря механическому проектированию мы нашли компромисс между сегментацией эндоскелета и снижением веса конструкции», — сказал Чжу. «Например, 10 сегментарных чешуек способны выдерживать силу около 10 ньютонов».
Система может быть настроена на реагирование на различные уровни угрозы. Кроме того, исследователи разработали точный, математически обоснованный компромисс между количеством используемых весов и весом устройства, что позволяет настраивать броню в зависимости от полезной нагрузки.
«Мы видим возможность применения этой технологии для защиты самых разных объектов — по сути, всего, вокруг чего она способна изгибаться», — отметил Цзяньюй Чжоу, научный сотрудник постдокторантуры в Университете штата Северная Каролина и первый автор статьи.
От поисково-спасательных дронов, перемещающихся в узких расщелинах скал, до гибких медицинских устройств, имплантируемых в подвижные суставы, потенциальные области применения огромны.
Команда Университета штата Северная Каролина в настоящее время активно ищет коммерческих партнеров для внедрения своего роботизированного броненосца из лабораторных условий в реальный мир.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Science Advances 27 мая.
Sourse: interestingengineering.com
