Физика и хартия: Как учените опростиха проектирането на сложни киригами структури

Киригами е не само древно японско изкуство за рязане и сгъване на хартия, което превръща плоския лист хартия в елегантни триизмерни форми, но и пълноценен инженерен инструмент. През последните години този подход се използва все по-често във физиката, материалознанието и роботиката. Учените създават адаптивни повърхности, гъвкави материали и дори компоненти за роботи от „изрязани“ структури. Сложността на проектирането на такива форми обаче често изисква сложни изчисления и числено моделиране.

Изследователи от Университета в Съчуан и Университета Макгил са предложили нов, много по-интуитивен начин за работа с киригами – без тромави алгоритми.

Техният подход, описан в Physical Review Letters позволява проектирането на сложни форми само с помощта на геометрични съображения и проста трансформация на формата, запазваща площта.

Според един от авторите, Дамиано Пасини, работата е продължение на предишни техни изследвания. Тогава екипът е изследвал как поведението на киригами се влияе от формата на изрезите и вътрешните ъгли на триъгълниците в структурата. Но сега те се интересуваха от нещо друго: какво се случва, ако се променят не отделни параметри, а цялата форма на въртящите се елементи – основните „градивни елементи“ на структурата?

Оказа се, че съществува доста проста закономерност между деформацията на цялата конструкция и формата на тези въртящи се елементи.

Ако първоначално тези елементи се „свиват“ хоризонтално, то в разгънато състояние цялата структура се разширява, т.е. посоката на деформация на въртящите се модули и на цялото киригами е противоположна. Това откритие всъщност позволява да се проектира желаната форма „в обратна посока“ – от резултата към детайла.

Три компонента са достатъчни, за да се приложи методът: да се знае желаната форма на разгънатата структура, да се определи формата на началното (компресирано) състояние и да се приложи трансформация, която запазва площта, но променя съотношението на страните. По същество целият процес се свежда до геометрична настройка – без математически изчисления в областта на висшия пилотаж.

За да демонстрира приложимостта на подхода, екипът построи три различни структури, всяка от които имаше зададена начална и крайна форма, както и траектории на вътрешните елементи.

Резултатът е универсална, проста и нагледна методология, която може да се използва за създаване на различни деформируеми структури – и то не само от триъгълници. Както отбелязват авторите, подобни принципи могат да бъдат приложени и към квадратни модели, което разширява потенциала на метода и го прави привлекателен за най-различни инженерни задачи – от създаване на меки роботи до адаптивна архитектура.