«Чрезвычайная механика»: сгибание и скручивание

Катя Бертольди говорит очень быстро. У нее всего 12 минут на представление своей работы по быстро растущим областям «чрезвычайной механики» Однако перед тем инженер из Гарвардского университета улыбается физикам, собравшимся в Бостоне на мартовском собрании Американского физического общества (APS) в 2012 году. Она покажет им, что нашла в магазине игрушек.

На экране появляется сфера Хоберман «Twist-O», имеющая вид ажурного футбольного мяча, сделанного из пластиковых звеньев ярких цветов. Если его свернуть, то петли между звеньями позволяют ему сжаться в мячик меньшего объема, чем он был изначально. Если свернуть в другую сторону — он снова набирает объем. Бертольди объясняет, что именно «Twist-O» вдохновил ее группу на создание сферического прибора, будет сжиматься и возвращаться к прежним размерам, однако не благодаря петлям, а благодаря механической нестабильности — определенного слабым точкам, будут обращаться согласно плану. Подобные штуки можно использовать для легких, же-разборных переносных палаток или нано-капсул для переноса лекарств, раскрываться и отдавать груз только тогда, когда пройдут весь путь по кровеносным сосудам и достигнут своей цели.

Бертольди говорит, что задача состояла в том, чтобы определить точные неустойчивости, которые необходимо предоставить структуре для нужного поведения. Она быстро описывает необходимую геометрию и пробегается перечнем ограничений. Есть только 25 форм, отвечающих всем требованиям, объясняет она, опуская месяцы вычислений, понадобились для решения этой задачи. Тогда она запускает видео, где показана вся совокупность дизайнов, которые сумела разработать ее команда.

Изображение зеленого резинового мяча с 24 точно измеренными круглыми углублениями (на картинке) появляется на экране. Начинается тест и мяч медленно взимается, каждое углубление сжимается, пока вся структура не скручивается в свою уменьшенную копию. На мгновение зал охватывает тишина, а потом все начинают аплодировать.

Студентов-инженеров всегда учили, что механические нестабильности — это проблема, которой надо избегать. Подобные нестабильности быстро приводят к структурным сбоям — сгибание несущей опоры, смятия равного металлического листа или изгибания металлической оболочки. От сбоев недалеко и до катастроф: так, во время Второй мировой войны корабли «Либерти» сломались посреди открытого моря. А дьявольски сложный математический анализ структур, способных к сгибанию заглох в конце девятнадцатого века, потому что его невозможно было решить доступными тогда методами.

Однако в течение примерно пяти последних лет новое поколение физиков и инженеров стало интересоваться нестабильностью. Исследователей вдохновили, в частности, новые достижения в геометрии и нелинейной математике, позволившие им пройти дальше там, где остановились их предшественники. Например, они уже проделали теорию, почему становятся морщинистыми капустные листья и мешки для мусора, рассчитали схемы морщин на тканях и сгибов на бумаге посчитали, как развиваются завитки и петли кишечного тракта у зародышей позвоночных.

С практической стороны, одним из вдохновителей был свободный доступ к гибким полимерам и силиконовых материалов, олицетворением которых в меру мягкие чехлы для смартфонов. Подобные материалы сделали возможным создание электроники, роботов, приборов и машин, структуры которых радикально меняют форму и вновь приобретают начальные очертания.

Полученное движение «чрезвычайной механики» быстро распространяется. Первые три сессии конференции, посвященной этой теме, состоялись в марте 2010 года во время встречи Американского физического общества — тогда было представлено почти 40 презентаций. Прошло всего два года, и доклад Бертольди о коллапсирующей сферой является одной из 111 презентаций с «чрезвычайной механики», распределенных на 8 секций. Сотни исследователей сейчас активно исследуют эту тему по всему миру. Весной 2011 года Национальный научный фонд США  анонсировал возможность постоянного финансирования данного поля исследований: он может предоставить 2 млн. дол. на четырехлетнее исследование проектов в рамках «Origami Design for Integration of Self-assembling Systems for Engineering Innovation (ODISSEI)». Ожидается, что грант предоставят уже в этом месяце.

Согнуть все

«Они написали просьбу именно для нас», — говорит Кристиан Сантангело, физик из Массачусетского университета в Амхерсте и со-ведущий исследователь гранта ODISSEI. Вместе с двумя создателями оригами и экспертом по математике оригами Сантангело и его коллега Райан Гейвард, инженер-химик в Амхерсте, специализирующаяся на полимерах, предложили новый тип трехмерного принтера. Вместо того чтоб медленно строить предмет, накладывая полимер слой за слоем, как это происходит в современных трехмерных принтерах, они будут создавать плоский лист полимера с двумерной схеме по принципу оригами и прикладывать к нему силу, чтобы тот согнулся в нужный трехмерный объект.

Одна часть проекта включит более точную компьютерную программу, разработанную одним из создателей оригами, физиком Робертом Лангом из Аламо, Калифорния. Получив желаемую форму, программа создаст диаграмму с нужной схемой сгибов. Сейчас в программе определяется только ли определенный поворот на письме изогнутым наружу (на сроках оригами, изогнутым «вверх») или внутрь («в длину»). Пользователю еще приходится разрабатывать последовательность движений, чтобы получить эту схему и создать желаемую фигуру. Однако способы гибки, необходимые для проекта могут быстро достичь таких уровней сложности, человеческого разума для решения уже не хватит. Исследователи вместо этого хотели бы создать полностью автоматизированный процесс, где двухмерное письмо описано компьютерной схемой нестабильности, ровным и скоординированным движением сгибается в нужных местах.

К сожалению, в экспериментах Гейварда сих пор линии сгиба выворачиваются «вверх» или «в долину» в случайном порядке. Возможное решение лежит в явлении волнистого края, говорит Сантангело. Если клетки на краю листа растения делятся быстрее, чем в середине, объясняет он, то они уже не могут лежать ровно в одной плоскости и листке приходится идти морщинами, чтобы разместить их. Если бы он с Гейвардом поняли, как заставить письмо полимера разбухать различным образом в разных точках, то могли бы создать сложную схему морщин и изгибов, которая могла бы помочь контролировать гибки листа.

Так же, как естественный феномен может дать информацию для «чрезвычайной механики», исследователи в этой дисциплине могут использовать свои знания для объяснения особенностей природных структур. «Здесь полно загадок», — говорит Педро Рейс инженер по Масачучетського Технологического Института в Кембридже и один из пионеров движения.

Для примера можно взять механизм работы у зернышка пыльцы. Рейсы достает что-то маленькое торпедообразное, сделано из зеленого материала, похожего на резину. Он растягивает его и сжимает в кулаке. Зернышко пыльцы постоянно подвергается пыткам: намокает, разбухает, высыхает и мнется, поэтому растения выработали различные стратегии, такие, как встроенные слабые точки, позволяющие пыльцевые избежать повреждений. Рейсы нажимает на ямку в торпеде. Ученые могут научиться из этого потому, что оболочка со слабыми точками может быть даже более устойчивой к погрешности, чем полностью твердая, говорит он. «Мы пытаемся перенять опыт природы. Исследовать, как эволюция справлялась с такими проблемами, к решению которых мы еще не додумались, очень вдохновляет ».

Рейс откладывает торпеду и, скручивая между пальцев воображаемую струну, переходит к подводным магистральным сетям, передающих Интернет по всему земному шару. Механическая нестабильность может также вызвать сложное поведение таких структур, говорит он. Положите слишком много кабеля, и он будет извиваться и скручиваться, что в результате даст плохое качество сигнала. Положите мало — и сеть будет слишком тонкой и уязвимой. Когда корабль тянул свой кабель по одному из подобных кабелей в феврале, шесть стран из Восточной Африки остались без Интернета. Хотя лучшее понимание нестабильности в длинных и тонких предметах и не предупредило бы несчастный случай, однако благодаря ему можно было бы сделать кабель более устойчивым к поломке. Улучшенная теория кабелей может также стать при случае во многих областях, начиная от нефтяной промышленности и к механике ДНК.

В попытке перенести такие решения на инженерные структуры, лаборатория Рейса в партнерстве с Бертольди и другими учеными борется за один из грантов ODISSEI. Одной из их целей является заключение словаря форм: многогранников, которые будут скручиваться, сгибаться, растягиваться, сжиматься и распрямляться в предполагаемые способы в ответ на определенные стимулы. Формы основываются на сферических оболочках с отверстиями. Однако вокруг отверстий находятся связи, содержащих слабые точки, сгибаются под действием внешнего фактора. В принципе, такие способные к скручиванию многогранники могут быть разного размера: от нескольких нанометров (для доставки лекарств) к подвижной крыши над стадионом. Команда называет полученные структуры «буклиболамы», и это стало названием презентации Бертольди во время нынешнего собрания APS.
Они имея геометрический дизайн и почти магическое поведение, собрали воедино красоту и изобретательность, которой так стремились исследователи «чрезвычайной механики». Заглядывая вперед, более теоретически подкованные предусматривают новый сборник общих правил, описывать поведение любого гибкого твердого тела, когда оно мнется. В то же время, обладают инженерной мыслью, представляют роботов с придатками, которые смогут трансформироваться в инструменты или протискиваться, как осьминог, в тонкие щели; рюкзаки, что превращаться в палатки; мобильные телефоны, которые пользователи смогут свернуть и заправить за ухо, как карандаш . Они видят целые области устройств, где неудачи можно превратить в функциональность. На это могут уйти годы — однако Бертольди и ее пристальное аудитория видят в этом гораздо больше, чем просто требовательную игрушку.

Поделиться в соц. сетях

Опубликовать в Google Buzz
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники

Добавить комментарий