Новый набор модульных компонентов позволяет пользователям создавать реконфигурируемые смарт-устройства с электрическими соединениями, которые продолжают работать независимо от формы конструкции.
Такая электрическая модульность позволяет инженерам создавать интерактивные устройства, которые могут определять свою форму без использования внешних проводов.
Эти напечатанные на 3D-принтере строительные блоки, разработанные исследователями Массачусетского технологического института, представляют собой разновидность структуры, известной как механический метаматериал. Их можно комбинировать для создания гораздо большего количества возможных конфигураций, чем традиционные структуры из метаматериалов.
Механические метаматериалы — это программируемые трехмерные структуры из повторяющихся элементов, которые могут принимать сложные формы благодаря своей геометрии. При сжатии, толчке или растяжении метаматериалы могут изгибаться или скручиваться определенным образом.
В исследовании, посвященном новой системе, ученые продемонстрировали несколько интерактивных объектов, в том числе стул, который трансформируется в стол с местом для хранения, а также может складываться для удобства транспортировки. Конструкция распознает свое положение и отправляет соответствующие сообщения на электронный дисплей. Исследователи создали «бифуркационные контуры» — ауксетические метаматериалы, которые могут принимать гораздо больше форм в зависимости от того, как соединены и повернуты модульные элементы.
Для создания интерактивных объектов с множеством возможных конфигураций бифуркационные схемы используют свойство, известное как механическая бифуркация. Механическая бифуркация — это резкое изменение поведения механизма, когда приложенная к нему сила достигает критической точки. Например, если слегка согнуть концы пластиковой линейки, то, когда сила достигнет критического порога, линейка прогнется.
Модульные элементы также спроектированы как электрические модули. Благодаря тому, как проводящий материал интегрирован в бифуркационные контуры, электрические соединения по всей структуре сохраняются независимо от того, как объект поворачивается, сжимается или скручивается для придания ему новой формы. В бифуркационных контурах такая бифуркация происходит, когда соединенные блоки определенным образом поворачиваются вокруг точки опоры. Это свойство позволяет соединенным блокам образовывать более устойчивые конфигурации, чем если бы каждый блок существовал сам по себе. Добавление в структуру дополнительных бифуркационных контуров экспоненциально увеличивает количество возможных конфигураций.
Соединение и вращение компонентов активирует уникальную цепь между соседними блоками. Такая интерактивность позволяет блокам взаимодействовать друг с другом, благодаря чему конструкция может «чувствовать» свою конфигурацию.
Одной из самых сложных задач, с которыми столкнулись исследователи, было создание проводящего материала, который был бы достаточно гибким, чтобы его можно было согнуть, но при этом обеспечивал бы достаточную эффективность передачи электричества. После того как конструкция была доработана, исследователи проверили прочность реконфигурируемых структур, сжав их более 10 000 раз. Электрические соединения структур не нарушились.
Исследователи также разработали удобный инструмент для конструирования и моделирования, который упрощает процесс проектирования бифуркационных контуров. Программа генерирует инструкции для 3D-принтера, который может изготавливать реконфигурируемые объекты за один проход.
Они продемонстрировали универсальность бифуркационных схем, изготовив стул, который может менять свою геометрию, превращаясь в чайный столик, а также контроллер, меняющий форму, который запускает одну из нескольких видеоигр в зависимости от конфигурации.
Эти новые метаматериалы также можно использовать для создания антенн для связи и датчиков, которые принимают новую форму для изменения частоты в зависимости от условий окружающей среды, без использования громоздких механических деталей.