Totimorfni konstrukcijski materijali prilagođavaju se željama konstruktora

Od novog materijala, razvijenog u laboratorijima Harvardove Škole inženjerskih i primijenjenih znanosti John A. Paulson (SEAS) koristi bi mogli imati robotičari, biotehnolozi i graditelji. Ovo doista revolucionarno istraživanje objavljeno je u časopisu Proceedings of the National Academy of Sciences.

Neovisna kontrola geometrije

“Današnji materijali i strukture koji mijenjaju oblik mogu samo prijeći između nekoliko stabilnih konfiguracija, ali mi smo pokazali kako stvoriti strukturne materijale koji imaju proizvoljan raspon sposobnosti preoblikovanja oblika”, kaže profesor L Mahadevan. “Ove strukture omogućuju neovisnu kontrolu geometrije i mehanike te postavljaju temelje za inženjering funkcionalnih oblika korištenjem jediničnih ćelija koja se može oblikovati.”

Totimorfne stanice mogu se savijati, uvijati u spiralu, pretvarati se u oblik dva različita lica i nositi težinu
Totimorfne stanice mogu se savijati, uvijati u spiralu, pretvarati se u oblik dva različita lica i nositi težinu

Jedan od najvećih izazova u dizajniranju materijala koji mijenjaju oblik je balansiranje naizgled kontradiktornih potreba prilagodljivosti i krutosti. Tim je započeo s neutralno stabilnom jediničnom ćelijom s dva kruta elementa te dvije rastezljive elastične opruge. 


Tipičan primjer neutralno stabilnog materijala je svjetiljka s početka svakog Pixarovog filma; ona je stabilna u bilo kojem položaju jer se sili gravitacije uvijek suprotstavljaju opruge koje se rastežu i sabijaju na usklađen način, bez obzira na konfiguraciju svjetiljke. Kombinacija krutih i elastičnih elemenata uravnotežuju energiju ćelija, čineći svaku neutralno stabilnom, što znači da mogu prelaziti između beskonačnog broja položaja i biti stabilne u bilo kojem od njih.


Pixarova lampa tipičan je primjer neutralno stabilnog materijala
Pixarova lampa tipičan je primjer neutralno stabilnog materijala

“Imajući neutralno stabilnu jediničnu ćeliju možemo odvojiti geometriju materijala od mehaničkog odgovora na individualnoj i na kolektivnoj razini”, objašnjava Gaurav Chaudhary iz SEAS-a. “Geometrija jedinične ćelije može se mijenjati promjenom njezine ukupne veličine kao i duljine jednostrukog pokretnog podupirača, dok se njezin elastični odgovor može mijenjati promjenom krutosti ili duljine opruga unutar strukture.”

Totimorfi utiru put novoj klasi materijala
Totimorfi utiru put novoj klasi materijala

Materijali temeljeni na geometriji

Istraživači ih nazivaju “totimorfnim materijalima” (totimorphic materials) zbog njihove sposobnosti da se pretvore u bilo koji stabilan oblik. Istraživači su povezali pojedinačne jedinične stanice s prirodno stabilnim zglobovima, gradeći 2D i 3D strukture od pojedinačnih totimorfnih stanica. Istraživači su pokazali kako se totimorfne stanice mogu savijati, uvijati u spiralu, pretvarati se u oblik dva različita lica i nositi težinu.

Kombinacija krutih i elastičnih elemenata uravnotežuju energiju ćelija
Kombinacija krutih i elastičnih elemenata uravnotežuju energiju ćelija

Budući da su ovi materijali temeljeni na geometriji, mogli bi se smanjiti kako bi se koristili kao senzori u robotici ili biotehnologiji ili bi se mogli povećati kako bi se koristili u arhitektonskoj skali, najavljuju istraživači. 

“Totimorfi utiru put novoj klasi materijala čiji se odziv deformacije može kontrolirati na više razina”, zaključuje Mahadevan.