Полимерный китайский фонарь меняет форму под магнитным полем

Учёные разработали полимерную структуру, напоминающую китайский фонарь, которая способна моментально трансформироваться в более чем дюжину трёхмерных форм. Для этого достаточно сжать или скрутить исходную конструкцию. Управление процессом изменения формы осуществляется дистанционно с помощью магнитного поля, что открывает широкие возможности для практического применения.

Базовый объект создаётся из полимерного листа, вырезанного в форме ромбовидного параллелограмма. В центре листа прорезается ряд параллельных линий, формирующих идентичные ленты, соединённые сплошными полосами материала сверху и снизу. Соединив левые и правые концы этих полос, получают трёхмерную структуру, напоминающую сферический китайский фонарь.

Исходная форма является бистабильной — она устойчива как в форме фонаря, так и в сжатом состоянии, напоминающем волчок. При сжатии структура медленно деформируется до критической точки, после чего резко переходит во вторую устойчивую форму. В этом состоянии сохраняется вся энергия сжатия, которая высвобождается при обратном переходе в форму фонаря.

Исследователи обнаружили, что добавление скручивания или изменения конфигурации верхних и нижних полос позволяет создавать множество дополнительных форм. Некоторые вариации способны переключаться между двумя устойчивыми состояниями, другие — между четырьмя, в зависимости от комбинации сжатия и скручивания.

Путем нанесения магнитной плёнки на нижнюю часть структуры появилась возможность управлять деформацией с помощью внешнего магнитного поля. Это позволило продемонстрировать несколько практических применений, включая захват для делительных объектов, регулируемый фильтр для контроля потока жидкости и компактную конструкцию, быстро раскрывающуюся в высокую форму.

Также была разработана математическая модель, описывающая влияние углов конструкции на форму вариаций и количество сохраняемой энергии. Эта модель позволяет программировать желаемые формы, их устойчивость и мощность высвобождения энергии, что критически важно для создания функциональных устройств.

В перспективе подобные структуры могут быть assembled в двух- и трёхмерные архитектуры для применения в метаматериалах и робототехнике, что открывает новые горизонты для инновационных разработок.