3D-структуры: простое развертывание одним движением

Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) представили новаторский метод проектирования 3D-конструкций, которые могут трансформироваться из плоской формы в полностью собранную трехмерную структуру всего одним натяжением нити. Эта разработка открывает новые возможности для быстрого возведения временных сооружений, таких как полевые госпитали в зонах стихийных бедствий, где скорость развертывания имеет решающее значение для спасения жизней.

Ключевые особенности метода:

• Автоматизированное проектирование: Алгоритм преобразует заданную 3D-модель в плоскую конструкцию, состоящую из связанных между собой плиток.
• Оптимизация натяжения: Специальная двухэтапная процедура находит оптимальный путь для нити с минимальным трением, обеспечивая плавное и простое развертывание.
• Обратимость: Механизм легко обратим, позволяя конструкции быстро возвращаться в плоское состояние при ослаблении натяжения.
• Эффективность хранения и транспортировки: Возможность компактного хранения и более дешевая логистика благодаря плоской конфигурации.
• Масштабируемость: Технология не зависит от метода производства и может быть реализована с помощью 3D-печати, фрезерования, литья и других методов.

Потенциальное применение данной технологии включает создание портативных медицинских устройств, складных роботов для труднодоступных мест и даже модульных космических жилищ для исследований Марса. Разработанные структуры могут быть изготовлены с использованием различных материалов, включая гибкие для шарниров и жесткие для основных поверхностей.

«Простота всего механизма активации — это настоящее преимущество нашего подхода», — отмечает Акиб Заман, ведущий автор исследования. «Пользователю достаточно предоставить желаемый дизайн, а наш метод оптимизирует его таким образом, чтобы он сохранял форму после одного натяжения нити. Мы надеемся, что люди смогут использовать этот метод для создания широкого спектра различных развертываемых конструкций».

В основе метода лежит вдохновение киригами — древним японским искусством вырезания из бумаги. Разработчики используют принципы киригами для создания ауксетических механизмов — структур, которые утолщаются при растяжении и сжимаются при сжатии. Алгоритм вычисляет минимальное количество точек, которые должна поднять нить для полного развертывания, и находит кратчайший путь между этими точками, обеспечивая минимальное трение.

Метод доказал свою эффективность при создании объектов различных масштабов, от медицинских приспособлений, таких как шина и корректор осанки, до полномасштабного складного стула. Его масштабируемость позволяет применять его как для миниатюрных имплантируемых устройств, так и для крупномасштабных архитектурных конструкций.

В планах исследователей — дальнейшее изучение проектирования миниатюрных структур и решение инженерных задач, связанных с созданием архитектурных инсталляций, включая разработку саморазвертывающихся механизмов.