В открытом состоянии крыло уховертки расширяется в десять раз больше, чем в закрытом — это один из самых высоких коэффициентов складывания в животном мире. Большая площадь крыльев позволяет насекомому летать, а компактное втягивание крыльев позволяет существу проходить под землей, не повреждая крылья.У конструкции крыла есть еще одна уникальная особенность; однако в открытом, заблокированном состоянии крыло остается жестким, и для обеспечения устойчивости не требуется мускульная сила.
Одним «щелчком» крыло складывается полностью, без задействования мускулов.Симуляция приносит прорывИсследователи из ETH Zurich и Purdue University изучали секрет оригами-крыльев уховертки и создали искусственную структуру, работающую по тому же принципу. Их статья только что появилась в журнале Science.
Чтобы проанализировать структуру и функции крыла, ведущий автор исследования Якоб Фабер из исследовательской группы под руководством Андре Стударта, профессора сложных материалов ETH Zurich, в сотрудничестве с профессором Андресом Арриета из Университета Пердью выполнил компьютерное моделирование функции крыла. .Это показало, что если бы крыло работало по классическому принципу оригами — используя жесткие прямые складки с угловой суммой в 360 градусов на их пересечениях, — уховертка могла бы сложить крыло только на треть своего размера. . Решающим фактором в конструкции крыла насекомого являются его эластичные складки, которые могут действовать как пружина растяжения или вращения.Стыки крыльев выполнены из слоев специального эластичного биополимера — резилина, расположение и толщина которого определяют тип пружины. В некоторых случаях и экстензионная, и вращательная функции объединяются в одном суставе.Фабер и его коллеги также исследовали точку в крыле уховертки, которая отвечает за стабильность как в открытом, так и в закрытом состоянии: центральный шарнир среднего крыла.
На этом этапе складки пересекаются под углами, несовместимыми с теорией жесткого оригами. «Эта точка фиксирует крыло как в открытом, так и в закрытом состоянии», — подчеркивает Фабер.4D печатный объектИсследователи перенесли результаты компьютерного моделирования на 3D-принтер с несколькими материалами.
Это позволило им напрямую изготавливать четырехмерный объект, состоящий из четырех жестких пластиковых пластин, соединенных друг с другом мягким эластичным соединением. Пружинные функции соединительных складок были запрограммированы в материале, чтобы они могли выполнять экстензионные или вращательные движения, имитируя биологическую модель.Крыло насекомого в раскрытом состоянии устойчиво, но автоматически складывается при малейшем прикосновении.
На следующем этапе исследователи перенесли принцип на более крупные элементы и напечатали пружинный захват для оригами. Эта структура автоматически складывается, фиксируется и может захватывать предметы без необходимости внешнего воздействия.Заявки на космические путешествия
Самосворачивающиеся элементы оригами, напечатанные на 3D-принтере Faber, в настоящее время доступны только в качестве прототипов. Одним из возможных применений может быть складная электроника. Другая область — космические путешествия: солнечные паруса для спутников или космических зондов, которые можно транспортировать в очень маленьком пространстве, а затем развернуть до их полного размера в месте их использования. Самоблокирующиеся биоинспирационные структуры оригами, такие как крыло уховертки, сэкономят место, вес и энергию, поскольку не требуют каких-либо исполнительных механизмов или дополнительных стабилизаторов.
Исследователи ETH также могут представить себе более приземленное использование, такое как складные палатки, карты или вкладыши в пакеты. «После того, как вы развернули эти вещи, часто невозможно вернуть их в исходную форму. Если, с другой стороны, они просто автоматически перевернуты, это избавит от многих хлопот», — говорит Фабер с игривым взглядом.