Складываемые и сворачиваемые структуры: складчатость и прочность

Исследователи из Национального университета Сеула разработали инновационную складываемую и сворачиваемую гофрированную структуру, вдохновленную оригами. Эта технология, получившая название FoRoGated-Structure, позволяет компактно хранить конструкции, обеспечивая при этом их высокую прочность после развертывания.

Традиционные методы сворачивания структур вокруг центральной оси, схожие с хранением рулетки, эффективны для компактности. Обычно такие структуры имеют плоское сечение в свернутом состоянии для плавного обертывания вокруг оси, а при развертывании приобретают гофрированное сечение для предотвращения изгибов и провисаний. Аналогично, плоский лист бумаги гибок, но зигзагообразная гофрировка делает его прочным и способным выдерживать значительные нагрузки, так как соседние грани ограничивают деформацию друг друга.

Однако при многослойном сворачивании гофрированных структур возникает проблема: толщина материала приводит к несоответствию периметров внутренних и внешних слоев, вызывая изгибы и морщины. Из-за этого такие структуры часто разворачивают в один плоский слой перед сворачиванием. Чем крупнее гофрировка, тем выше прочность, но и шире требуется место для хранения, что создает компромисс между прочностью и компактностью.

Для решения этой проблемы команда исследователей применила принцип переплетения к гофрированной структуре. Переплетенные структуры соединяют элементы не жестким склеиванием, а их пересечением и блокировкой. Зазоры между элементами позволяют им скользить и перестраиваться, а в направлении переплетения элементы разделяют нагрузку и сохраняют форму.

В новой разработке параллельные металлические полосы прочно сплетены с лентами, образуя петлеобразные соединения. Эти соединения обеспечивают плотное сцепление соседних полос, формируя жесткую гофрированную складчатую структуру, и одновременно позволяют полосам локально скользить друг относительно друга через петли. Это позволяет структуре складываться в многослойные гофрированные слои и плавно сворачиваться на оси. Скользящее движение снимает концентрацию напряжений, вызванную несоответствием периметров, а плотное переплетение повышает устойчивость поперечного сечения, обеспечивая высокую прочность и жесткость в развернутом состоянии.

«Демонстрируя, как ленты могут переплетать жесткие структурные полосы, мы показали, что даже гофрированная структура с множеством складок может быть сложена в несколько слоев и при этом плавно сворачиваться для компактного хранения», — отмечают ученые.

Разработка продемонстрировала свою применимость в различных роботизированных системах. Был создан одномоторный выдвижной роботизированный манипулятор на основе FoRoGated-Structure. На компактном мобильном роботе, высота которого сравнима с роботом-пылесосом, этот манипулятор после развертывания способен выполнять задачи на большой высоте, например, доставать предметы с полок или нажимать кнопки лифта.

Второй пример — мобильный 3D-принтер. Мобильная база диаметром и высотой около 1 метра трансформируется из компактной треугольной колонны в крупный тетраэдрический каркас высотой около 3,4 метра, позволяя печатать объекты высотой до 2,5 метров.

Эти демонстрации подтверждают, что FoRoGated-Structure идеально подходит для задач, где требуется компактное хранение при высокой нагрузочной способности после развертывания.

«Мы часто ищем решения в одной морфологии — гуманоидной, — но многие реальные проблемы зависят от конкретной среды и задачи», — говорит профессор Кю-Джин Чо. «Наши результаты показывают, что роботы, которые реконфигурируются и развертываются для адаптации к пространству и задаче, могут служить практичной платформой для Физического ИИ».