Исследователи MIT возродили 40-летнюю концепцию треугольной молнии с помощью 3D-печати: создание роботов, меняющих форму, и развертываемых конструкций

Исследователи из Лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта (CSAIL) Массачусетского технологического института (MIT) разработали трехстороннюю застежку-молнию, которая за секунды превращает гибкие 3D-печатные структуры в жесткие несущие формы. Механизм, получивший название «Y-Zipper», позволяет быстро собирать балки, арки, конечности роботов и развертываемые каркасы, открывая путь к созданию адаптивных роботов, быстро развертываемых укрытий и реконфигурируемых медицинских устройств.

В отличие от обычных молний, соединяющих две плоские поверхности в 2D, Y-Zipper соединяет три гибких «плеча» в жесткую трехмерную треугольную трубу. В открытом или расстегнутом состоянии структура ведет себя как мягкие пластиковые полоски или гибкие щупальца, каждое из которых независимо изгибается и скручивается. Однако при застегивании с помощью специального бегунка плечи сцепляются, образуя жесткую балкоподобную структуру, способную выдерживать нагрузки.

Концепция была предложена в 1985 году профессором MIT Уильямом Фрименом (William Freeman), который придумал треугольную систему застегивания для быстрой сборки таких объектов, как палатки, мебель и контейнеры. Однако в то время производственные ограничения делали конструкцию непрактичной. Фримен запатентовал дизайн в надежде, что технологии производства в конечном итоге догонят его идею. Спустя почти четыре десятилетия 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 формировать прямые стержни, арки, спирали или скрученные винтообразные структуры. Вся система, включая три плеча и бегунок, была изготовлена целиком с помощью 3D-печати из обычных полимерных материалов.

Инженерный принцип, лежащий в основе системы, относительно прост: треугольники по своей природе жесткие. Строительная инженерия десятилетиями полагалась 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, заставляя три гибких плеча при застегивании образовывать треугольную конфигурацию, по сути, собирая легкую структурную балку по требованию.

Способность переключаться между мягким и жестким состояниями особенно актуальна для робототехники и развертываемых систем. Инженеры часто сталкиваются с трудностями при объединении гибкости и структурной жесткости в одном механизме. Мягкие роботизированные системы хорошо адаптируются к непредсказуемой среде, но часто не обладают прочностью, в то время как жесткие системы обеспечивают стабильность в ущерб гибкости. Разработка MIT пытается объединить оба качества.

Исследователи продемонстрировали четвероногого робота с ногами, способными менять высоту и жесткость за счет приведения в действие механизма молнии с помощью моторов. Такие системы могут помочь роботам передвигаться по пересеченной местности, динамически изменяя геометрию конечностей в ответ на окружающую среду.

Команда также протестировала систему в развертываемых конструкциях. В одной из демонстраций они использовали Y-Zipper для быстрой сборки конструкции, напоминающей палатку, где трехсторонний механизм служил одновременно и несущим каркасом, и соединительной системой. По словам команды, время установки сократилось с примерно шести минут до одной минуты 20 секунд, поскольку молния эффективно фиксирует конструкцию на месте.

Медицинское применение — еще одна возможная цель. Исследователи создали прототип фиксатора для запястья, который оборачивал механизм вокруг гипса, позволяя пользователям ослаблять его днем для комфорта и затягивать ночью для поддержки.

Помимо инженерных применений, система также может создавать динамические движущиеся структуры для искусства и дизайна. Один из прототипов напоминал механический цветок, который «распускался» по мере того, как мотор застегивал структуру снизу вверх.

Тесты на долговечность показали, что механизм выдерживает примерно 18 000 циклов застегивания и расстегивания до выхода из строя. По словам исследователей, упругое поведение структуры помогает распределять напряжение по всей сборке, а не концентрировать его в одной области.

Команда протестировала версии конструкции из популярных материалов для 3D-печати: полимолочной кислоты (PLA) и термопластичного полиуретана (TPU). PLA более эффективно справлялся с тяжелыми нагрузками, в то время как TPU обеспечивал большую гибкость. Будущие версии могут использовать более прочные материалы, такие как металл, и быть масштабированы до гораздо больших размеров. Исследователи также предположили возможное применение в аэрокосмической отрасли, включая развертываемые космические конструкции и роботизированные системы, способные захватывать образцы горных пород во время исследовательских миссий.

Работа была представлена на конференции ACM по человеческому фактору 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».

Источник: Tomshardware.com