Ученые из канадского Университета Макгилла нашли эффективный способ значительно расширить возможности материалов, созданных по принципу киригами — японского искусства вырезания из бумаги. Вместо традиционного равномерного масштабирования, когда, например, квадрат просто увеличивается в размерах, они научили такие материалы трансформироваться в более сложные фигуры, такие как трапеции или многоугольники. Результаты их работы, подробно описанные в авторитетном журнале Advanced Materials, могут кардинально изменить технологии при разработке мягких роботов, носимой электроники и даже в строительстве быстро развертываемых конструкций.

Ключевая особенность этих метаматериалов заключается не в их составе — они могут быть изготовлены из самых разных химических элементов, используемых при производстве пластика и картона, — а в особой геометрии, создаваемой с помощью специальных вырезов. Именно благодаря этим вырезам материал способен кардинально менять свою форму. Для лучшего понимания новой технологии вспомните объемные бумажные фигуры, которые «выскакивают» из страниц книг или поздравительных открыток.

Используя лазерные устройства для обработки таких материалов, как пластик, исследователи детально изучили внутреннюю структуру этих киригами-подобных форм, в частности углы и расположение составляющих их треугольников. Традиционные узоры киригами при развертывании изменяются пропорционально: например, квадрат превращается в больший квадрат. Однако ученые из Макгилла разработали метод, позволяющий квадрату трансформироваться в другие геометрические фигуры, такие как многоугольник или трапеция. Этот процесс, известный как произвольное или анизотропное масштабирование (морфинг), дает возможность создавать гораздо более сложные и разнообразные формы.

Благодаря этому открытию ученые значительно расширили возможности создания метаматериалов, способных к контролируемому изменению формы. Новые материалы, произвольно масштабирующиеся в процессе трансформации, могут стать основой для целого ряда инновационных разработок, от гибких роботов и «умной» одежды до развертываемых в пространстве конструкций. Результаты исследования уже легли в основу нескольких патентных заявок.

«Инновационные структуры киригами с надрезами при растяжении не только удлиняются, но и, при грамотном проектировании, способны преобразовываться в другие устойчивые формы. Это позволяет создавать объекты, которые в сложенном виде занимают минимум места, а при необходимости трансформируются, выполняя различные функции», — поясняет Дамиано Пазини, ведущий исследователь в области механических метаматериалов и профессор факультета машиностроения Университета Макгилла, являющийся также автором-корреспондентом публикации в Advanced Materials.

По словам профессора Пазини, рационально спроектированные надрезы позволяют одному и тому же куску материала демонстрировать универсальность, анизотропную трансформацию и многофункциональность, недостижимые для обычных материалов. Данная разработка уже вызвала большой интерес в научном и техническом сообществах.

«Наша работа закладывает фундаментальное понимание физических механизмов, лежащих в основе формирования многофункциональных форм с различными степенями анизотропного развертывания, и открывает совершенно новые горизонты возможностей, хотя и не связана напрямую с каким-либо конкретным применением, — отмечает Пазини. — Следующим шагом станет поиск практических применений этой технологии в повседневной жизни».