Исследователи из Лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта MIT разработали трехстороннюю застежку-молнию, которая за секунды преобразует напечатанные на 3D-принтере гибкие конструкции в жесткие несущие формы. Механизм, получивший название «Y-Zipper», способен быстро собирать балки, арки, роботизированные конечности и развертываемые каркасы — что потенциально открывает двери для адаптивных роботов, быстровозводимых укрытий и реконфигурируемых медицинских устройств. В отличие от обычных молний, соединяющих две плоские поверхности в 2D, Y-Zipper объединяет три гибких плеча в жесткую 3D-треугольную трубу. В открытом или расстегнутом состоянии структура ведет себя как полоски мягкого пластика или вялые щупальца, при этом каждое плечо может независимо изгибаться и скручиваться. Однако после застегивания с помощью специального ползунка плечи сцепляются, образуя жесткую балочную конструкцию, способную выдерживать нагрузки. Концепция зародилась в 1985 году благодаря профессору MIT Уильяму Фримену, который предложил треугольную систему молнии, предназначенную для быстрой сборки таких объектов, как палатки, мебель и контейнеры. Однако в то время производственные ограничения делали эту конструкцию непрактичной. Фримен запатентовал дизайн в надежде, что технология изготовления в конечном итоге догонит его. Почти четыре десятилетия спустя современные 3D-принтеры и инструменты вычислительного проектирования наконец позволили исследователям вернуться к этой идее. Команда CSAIL разработала программное обеспечение, которое позволяет пользователям настраивать поведение молнии после сборки. В зависимости от конструкции плеч механизм может образовывать прямые стержни, арки, спирали или скрученные винтообразные структуры. Система, включающая три плеча и ползунок, была полностью изготовлена методом 3D-печати с использованием распространенных полимерных материалов. Инженерный принцип, лежащий в основе системы, относительно прост: треугольники по своей природе жесткие. Строительная механика десятилетиями опиралась на треугольную геометрию в мостах, кранах, башнях и фермах, поскольку треугольники гораздо лучше сопротивляются деформации, чем плоские или прямоугольные конструкции. Y-Zipper использует тот же принцип, принудительно формируя три гибких плеча в треугольную конфигурацию при закрытии, по сути, собирая легкую несущую балку по требованию. Эта способность переключаться между мягким и жестким состояниями особенно актуальна для робототехники и развертываемых систем. Инженеры часто сталкиваются с проблемой совмещения гибкости и структурной жесткости в одном механизме. Мягкие роботизированные системы хорошо адаптируются к непредсказуемой среде, но часто им не хватает прочности, в то время как жесткие системы обеспечивают стабильность ценой гибкости. Разработка MIT пытается объединить оба качества. Исследователи продемонстрировали роботизированного четвероногого робота с ногами, способными изменять высоту и жесткость путем приведения в действие механизма молнии с помощью двигателей. Такие системы могут помочь роботам перемещаться по неровной местности, динамически регулируя геометрию конечностей в ответ на окружающую среду. Команда также протестировала систему на развертываемых конструкциях. В одной демонстрации они использовали Y-Zipper для быстрой сборки конструкции, напоминающей палатку, где трехсторонний механизм служил одновременно несущим каркасом и системой соединения. По данным команды, время установки сократилось с примерно шести минут до одной минуты и 20 секунд, поскольку молния эффективно фиксирует конструкцию на месте. Медицинские применения — еще одна возможная цель. Исследователи создали прототип гипсовой повязки на запястье, обернув механизм вокруг нее, что позволяет пользователям ослаблять ее в течение дня для комфорта, а затем снова затягивать на ночь для поддержки. Помимо инженерных применений, система также может создавать динамические движущиеся структуры для искусства и дизайна. Один прототип напоминал механический цветок, который «распускался» по мере того, как двигатель застегивал структуру вверх. Испытания на долговечность показали, что механизм выдерживает около 18 000 циклов застегивания-расстегивания до отказа. По словам исследователей, эластичное поведение конструкции помогает распределять напряжение по всей сборке, а не концентрировать его в одной области. Команда оценила варианты конструкции, изготовленные из популярных материалов для 3D-печати: полилактида (PLA) и термопластичного полиуретана (TPU). PLA лучше справлялся с большими нагрузками, в то время как TPU обеспечивал большую гибкость. Будущие версии могут использовать более прочные материалы, такие как металл, и масштабироваться до гораздо больших размеров. Исследователи также предположили возможное применение в аэрокосмической отрасли, включая развертываемые конструкции космических аппаратов и роботизированные системы, способные захватывать образцы горных пород во время исследовательских миссий. Работа была представлена на Конференции ACM по человеческим факторам в вычислительных системах (CHI) в апреле и подробно описана в статье под названием “Y-Zipper: 3D Printing Flexible–Rigid Transition Mechanism for Rapid and Reversible Assembly.”
Всегда имейте в виду, что редакции могут придерживаться предвзятых взглядов в освещении новостей.
Автор – Etiido Uko
