Метаматериалы: маскировка и камуфляж без порядка

Новое исследование, проведенное в сотрудничестве между Институтом материалов IMDEA, Северо-Западным политехническим университетом Китая, Китайской академией наук, Пекинским университетом и Южным научно-техническим университетом, достигло значительного прорыва в области механических метаматериалов. Авторы представили стратегию нерегулярного роста, использующую неупорядоченные структурированные материалы для достижения статической механической маскировки и камуфляжа.

Структурированные материалы, чьи свойства определяются геометрией, а не составом, произвели революцию в различных областях, от механики и акустики до робототехники и электромагнетизма. Путем контроля архитектуры материала — таких как топология, геометрия, масштаб, иерархия, распределение материала и плотность — исследователи могут разрабатывать новые материалы с заданными свойствами.

Традиционно эти материалы проектируются с высокопериодическими структурами, что упрощает изготовление и моделирование. Однако природа демонстрирует иную картину: биологические материалы, такие как кость, дерево или крылья насекомых, часто имеют нерегулярные внутренние структуры, но при этом обладают выдающимися механическими характеристиками. Вдохновленная этой природной нерегулярностью, команда исследовала, как сам беспорядок может стать принципом проектирования.

Используя новаторское стохастическое правило роста, они разработали новую стратегию нерегулярного роста, которая позволяет создавать материалы, способные к механическому стелсу. Это означает, что внутренние пустоты ведут себя так, как будто они сплошные, или даже имитируют механический отклик совершенно других форм.

Механическая маскировка, в отличие от оптической, скрывает внутренние дефекты или полости от воздействия напряжения и деформации. Благодаря структурированному дизайну материал проектируется таким образом, что под нагрузкой он ведет себя так, как будто дефекта не существует. Камуфляж, в свою очередь, позволяет одной структуре имитировать механический отклик другой.

Достижение этих эффектов долгое время было сложной задачей в механике, поскольку традиционные подходы, основанные на преобразованиях, работающие в оптике или электромагнетизме, не могут быть напрямую применены к статическим полям деформации. Разработанный в исследовании нерегулярный каркас преодолевает эти ограничения. Собирая небольшое количество строительных блоков с переменной жесткостью в соответствии с вероятностными правилами роста, исследователи создали механические маски, способные функционировать при различных граничных условиях и сложных формах пустот.

Полученные структуры демонстрируют надежную работу, сохраняя свои камуфляжные возможности даже при неравномерной нагрузке или при встраивании в нерегулярное окружение. Примечательно, что та же методология позволяет осуществлять взаимный камуфляж между двумя различными формами пустот, что является беспрецедентным достижением в статической механике.

Команда экспериментально проверила свой дизайн с помощью 3D-печатных прототипов, продемонстрировав сильное соответствие между моделированием и физическими измерениями. Исследователи также расширили свою основу для трехмерных приложений, предполагая потенциальное применение в системах защиты, виброконтроле, усилении туннелей, робототехнике и технологиях тактильной обратной связи. В мягкой робототехнике камуфляж может позволить компонентам скрывать свои структурные особенности, а в биомедицинских устройствах — материалы могут быть разработаны для имитации тактильного отклика человеческих тканей. Кроме того, в виртуальной и дополненной реальности такие архитектуры могут служить основой для интерфейсов, способных создавать реалистичные ощущения прикосновения посредством механической имитации.