Инженеры научили умное оригами складываться самолётом

Программное обеспечение точно контролирует, когда и где пропустить ток. В результате фигурка складывается примерно за 20 секунд (фото Harvard University).

Учёные грезят идеей создания «программируемой материи». Кто-то работает с самостоятельно собирающимися роботами, кто-то обучает уму-разуму жидкости. Американцы же заставили лист из стекловолокна, эластомерных сочленений, тонкоплёночных приводов и гибкой электроники складываться в фигуру лодки или самолёта. Как оригами, только без прямого участия человека.

Специалисты Массачусетского технологического института (MIT) и университета Гарварда (Harvard University) сделали, возможно, первый в мире шаг на пути создания «программируемой материи» (programmable matter).

Команда, состоящая из Роберта Вуда (Robert Wood), Эрика Демэна (Erik Demaine), Даниэлы Рас (Daniela Rus) и их коллег, придумала и создала самоскладывающийся «лист».

Складные (развёртываемые) структуры тут и там встречаются в природе. Как это часто бывает, именно естественное оригами вдохновило учёных на создание искусственных аналогов (фото Tanya Puntti,David Laws2009/flickr.com).

Квадрат со стороной 4 сантиметра состоит из 32 твёрдых треугольных плиток из стекловолокна, соединённых между собой гибкими силиконовыми сочленениями (толщиной порядка полмиллиметра) и плёнками из нитинола (nitinol), обладающего памятью формы.

Если деталь из этого сплава никеля и титана деформировать, то при нагреве она «вспомнит» свою былую форму и вернётся к ней. В данном случае каждой плёнке задавали форму, согнув её пополам, зажав в тисках и прогрев до 420 °C в течение получаса. Затем её разворачивали и давали остыть.

«Суставы» нынешнего прототипа умеют автоматически только складываться. Разгибать их обратно приходится вручную. Но у создателей самооригами уже есть сочленения, которые могут как закрываться, так и открываться. Здесь изображено теоретическое и реальное складывание лодочки (иллюстрация и фото Harvard University).

В дальнейшем, если нужно сложить лист в определённую форму, каждый «сустав» нагревают до 70 °C с помощью подходящего к нему электрического проводка. И плёнка в течение нескольких секунд возвращается к согнутому состоянию.

Пока каждый нитиноловый «сустав» позволяет двум соседним плиткам вставать только в два положения – быть либо полностью открытыми, либо полностью закрытыми (соединёнными), но так как уже созданы материалы с памятью нескольких форм, можно предположить, что в будущем положений сгиба будет больше.

Актуатор в верхней (A) и нижней (B) частях самоскладывающегося листа. Силиконовое сочленение и элемент схемы на сгибе в обычном (C) и «сложенном» на 180° (D) состоянии. Силиконовые сочленения, сложенные вдвое (E) и вчетверо (F) (фото Robert Wood/Harvard SEAS, Daniela Rus/MIT).

Нынешний прототип снабжён 25 плёночными приводами, разделёнными на пять групп. Какие из них активируются и в какой последовательности, зависит от того, какую фигуру нужно получить. Кстати, держать полученную форму помогают миниатюрные магниты, расположенные в центре каждого треугольника (правда, они же мешают сделать процесс обратимым).

Инженеры MIT и Гарварда пока не сообщают, будут ли они решать проблему отсутствия реверсивности. Но в дальнейшем такая «мультифункциональность» может пригодиться, так как позволит складывать из одного листа по мере надобности (изменения задач) разные фигуры.

«Мы придумываем алгоритм складывания, чем-то напоминающий инструкцию к созданию той или иной фигурки оригами. Где и как сложить составляющие листа, определяет конечная форма фигуры», – рассказывает Вуд (фото Harvard University).

Известно, что американцы планируют сделать своеобразный оригами-лист автономным (не зависящим от контроля компьютера), а также поэкспериментировать с размерами и количеством составляющих его треугольников.

Пока же расчётом будущей формы и последовательности складываний занимается соответствующее программное обеспечение. Подробнее о нём рассказано в статье создателей необычного «робота», опубликованной в PNAS.

С увеличением количества составляющих лист треугольников алгоритмы тоже станут сложнее, и, возможно, ПО даже обретёт возможность самостоятельно придумывать очерёдность действий для получения нужной фигуры.

«Представьте, что у вас в ящике с инструментами лежит одна универсальная конструкция, которая способна трансформироваться в любой инструмент для выполнения того или иного типа работ», — мечтает Вуд, несмотря на то что пока учёным доступны лишь простые формы. (Кстати, Роберт известен нашим читателям по участию в проекте создания "робопчёл".)

Эрик Демэн – страстный любитель оригами. А ещё ему очень нравится стеклодувное дело. Страшно представить, чем может обернуться второе его хобби. На фото справа: бумажные скульптуры, созданные Эриком и Мартином Демэнами (Martin Demaine) из 2-4 бумажных кругов с дыркой посередине, сложенных гармошкой в виде концентрических окружностей (фото с сайта erikdemaine.org).

Кроме проблемы усложнения конфигурации и программ существует и несколько других. Например, в дальнейшем придётся задуматься над оптимальным количеством элементов, которое позволяло бы листу преобразовываться в разные формы для выполнения тех или иных задач. Необходимо решить вопрос с прочностью создаваемых конструкций.

Если «живое» воплощение трансформеров однажды станет реальностью, наверняка возникнет проблема быстроты складывания/развёртывания системы. Впрочем, всё это, конечно, нисколько не пугает техников, планомерно идущих к своей цели.

Разработчики обещают, что в будущем, когда они набьют руку, смогут создавать, к примеру, чашки, которые меняют конфигурацию в зависимости от количества налитой в них жидкости. Зачем человечеству такое – не ясно, но звучит впечатляюще. На фото демонстрация универсальности подхода: скамейка и гаечный ключ, сложенные из одного и того же листа (фото CSAIL MIT).

Складывать трёхмерные объекты «током», а не вручную инженеры придумали не забавы ради и даже не для совершенствования уже существующих роботов. Самосборные листы пригодятся для создания самостоятельно разворачивающихся радиоантенн, необычных солнечных батарей или солнечных парусов, иной новой техники: летающей, плавающей, манипулирующей объектами.

Заинтересована в новинке и оборонная промышленность. Не зря же нынешнюю работу частично финансирует пентагоновское агентство по передовым исследованиям DARPA.

«Меняющие форму листы демонстрируют непрерывный процесс. Это первый шаг на пути создания повседневных вещей с механическими свойствами, заданными программой», – подводит итог Роберт Вуд.

Как говорят в народе, мальчики и мужчины отличаются между собой только ценовой политикой игрушек, в которые они любят играть. Взрослые мужчины все так-же продолжают играть в машинки и войнушки. С машинками дело ясное и явное, а с войнами дела обстоят по-разному. Кто-то просто зависает на Counter-Strike, а кто-то покупает специальное страйкбольное оружие, которое совсем немало стоит, и реально выходит на поле боя, чтобы получить долю адреналина.