Прорыв в робототехнике: «метаматериал-трансформер» от учёных из Принстона сжимается на 25% и сокращает объём на 50% без потерь функциональности

25.04.2025 20:29:00 | iXBT.com

Учёные представили новую разработку в области метаматериалов – модульные конструкции, способные к сложному, независимо управляемому движению. Эти материалы, по сути, ведут себя как миниатюрные механизмы, открывая перспективы для создания новых типов роботов, адаптивных конструкций и даже устройств для хранения информации.

В основе разработки лежит сочетание двух типов элементов: ауксетических ячеек – структур, которые расширяются при растяжении и сжимаются при сжатии – и оригами-вдохновлённых колонн, изготовленных по принципу трубок Креслинга. Такое сочетание позволяет материалу одновременно скручиваться, сжиматься в плоскости более чем на 25% и уменьшаться в объёме более чем на 50% под воздействием одного управляющего фактора. Важно, что эти деформации не связаны между собой, то есть управление одной из них не влияет на другие.

Источник: Aaron Nathans / Princeton University

Принцип работы основан на том, что каждая из составляющих — ячейки и колонны — отвечают за определенный тип деформации. Вращающиеся квадратные ячейки обеспечивают скручивание и сжатие в плоскости, а колонны Креслинга — уменьшение объёма. Ученые продемонстрировали два режима работы: скручивание с одновременным перемещением и линейное смещение с вращением. Это достигается благодаря тщательному подбору геометрии и свойств материала.

Созданная конструкция обладает высокой модульностью, что позволяет легко перепрограммировать её характеристики, контролировать локальную "хиральность" (свойство несовместимости с собственным отражением) и настраивать несущую способность. Эксперименты и компьютерное моделирование подтвердили, что материал способен к сложным, скоординированным движениям.

Источник: Princeton University / Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-08851-0

Исследовательская группа, работающая под руководством учёных из Принстонского университета, предоставила все данные и программный код, использованный в работе, в открытом доступе на платформе Zenodo. Они использовали 3D-печать для создания прототипов и провели серию тестов, чтобы продемонстрировать возможности нового материала.

Потенциальные применения этой технологии охватывают широкий спектр областей. От «роботизированных трансформеров», способных менять свою форму для выполнения различных задач, до систем терморегуляции, механических запоминающих устройств, использующих гистерезис, и устройств шифрования информации, основанных на некоммутативных переходах состояний. Также возможно создание plug-and-play конструкций для поглощения энергии и защиты от ударов.

Учитывая возможности по масштабированию и перепрограммированию, данная технология может стать ключевым элементом в создании нового поколения адаптивных материалов и робототехнических систем, способных функционировать в самых разных условиях. Дальнейшие исследования будут направлены на оптимизацию материалов и разработку более сложных управляющих алгоритмов для реализации всего потенциала этих «машин из материи».

Подробнее