DropPop: мгновенное развертывание структур с помощью бистабильной механики

Традиционные развертываемые системы, использующие пневматические насосы, электродвигатели, магниты или ручную сборку, часто требуют громоздких источников питания или множества шагов. Мы начали исследовать, возможна ли более простая, неэлектронная альтернатива, основанная исключительно на геометрической и материальной интеллектуальности.

Объединив два классических механизма — бистабильный упругий колпачок и ножничный рычажный механизм — мы создали DropPop: систему, которая разворачивается просто при падении. Представьте себе механически интеллектуальный захват, который смыкается при нажатии объекта, или палатку, которая расправляется в тот момент, когда касается земли. Мы представили наше исследование в сборнике трудов 38-го ежегодного симпозиума ACM по программному обеспечению и технологиям пользовательского интерфейса.

В основе DropPop лежит небольшой бистабильный сферический колпачок. Подобно детским игрушкам-«попперам», колпачок может быть инвертирован в состояние с более высокой энергией и стабильно удерживаться в нем. При освобождении он возвращается к исходной форме, высвобождая импульс упругой энергии. В DropPop это быстрое инвертирование напрямую связано с 1-DOF ножничным рычажным механизмом, который преобразует быстрое движение колпачка в скоординированное расширение всей конструкции. После развертывания геометрия фиксирует ножничные балки во втором стабильном состоянии, создавая глобально бистабильную систему, которая фиксируется на месте.

В экспериментах DropPop разворачивается в течение 0,2–0,7 секунды, в зависимости от масштаба. Наш самый большой прототип использует колпачок диаметром 140 мм для приведения в действие ножничной конструкции длиной 1,2 метра; самый маленький — около 30 мм. Поскольку механизм полагается исключительно на упругую энергию, развертывание происходит быстро, оно остается стабильным и многоразовым.

Для поддержки более широкого использования мы разработали цифровой интерфейс проектирования, который помогает пользователям настраивать конструкции DropPop. Инструмент оценивает размер колпачка, геометрию ножниц и направление развертывания, а также прогнозирует несущую способность, сравнивая гравитационный потенциал с измеренным высвобождением энергии колпачка. Это позволяет пользователям быстро создавать проекты, анализировать вероятность успешного развертывания и экспортировать файлы для изготовления с помощью лазерной резки или 3D-печати.

Мы создали несколько демонстрационных приложений. Пассивный захват автоматически закрывается вокруг объекта, используя только его собственный вес, демонстрируя, как DropPop может поддерживать роботизированные манипуляции с низким энергопотреблением. Версия с задержкой действия использует псевдобистабильность для раскрытия скрытых сообщений через несколько секунд после удара — полезно для интерактивных инсталляций или упаковки продуктов. Другие прототипы включают компактные абажуры, которые «раскрываются» при освобождении, и портативные конструкции конусов дорожной сигнализации, которые мгновенно разворачиваются при ударе.

Наша более широкая мотивация — исследовать механическую интеллектуальность — системы, где движение возникает из тщательного проектирования геометрии, материалов и накопленной упругой энергии. DropPop иллюстрирует, как простое действие, такое как падение, может активировать сложное, скоординированное развертывание. Мы предвидим, что этот подход позволит создавать быстро развертываемые укрытия, полевую робототехнику и другие сценарии, где необходимы механизмы без электроники, быстрые и надежные.