Опираясь на древнее ремесло инженеры научились создавать материалы нового поколения, устойчивые к экстремальным нагрузкам и сохраняющие форму.
Инженеры из Мичиганского университета обнаружили, что тканые материалы могут возвращаться к своей исходной форме после многократного сжатия, сохраняя жесткость и устойчивость. Такое свойство открывает новые возможности для робототехники, автомобильных деталей и архитектурных конструкций. Результаты исследования опубликованы в Physical Review Research.
Идея исследования появилась после того, докторант по гражданской и экологической инженерии Гоувэй (Уэйн) Ту наткнулся на публикацию, где описывались древние корзины, созданные около 7500 г. до н. э.
«Мы знали, что ткачество эффективно создает трехмерные формы из лент, таких как тростник и кора, но подозревали, что в них есть и фундаментальные механические преимущества», — объяснил Евгений Филипов, доцент гражданской и экологической инженерии и соавтор работы.
Команда проверила гипотезу, сплетая ленты из полиэстерового материала толщиной всего два листа бумаги. Эти заготовки формировались в объемные структуры — так называемые механические метаматериалы. В отличие от обычных материалов, их прочность и поведение зависят не столько от состава, сколько от геометрии.
Эксперименты показали разительное отличие тканых образцов от цельных листов. Прямоугольная коробка, собранная из переплетенных лент, восстанавливала форму даже после сжатия на 14 сантиметров (до 20% первоначальной высоты), тогда как сплошной материал ломался уже при меньших нагрузках. Анализ с помощью 3D-сканирования подтвердил: тканая структура перераспределяет напряжение по поверхности, тогда как цельные листы концентрируют его в отдельных точках и трескаются.
Ученые также отметили, что тканые углы оказались почти такими же жесткими, как и цельные аналоги (около 70%), что разрушает стереотип о «мягкости» подобных систем.
Особый интерес вызвали более сложные конструкции. L-образная форма, напоминающая роботизированную руку, выдерживала нагрузку в 80 раз больше собственной массы, при этом оставалась подвижной. А прототип тканого четырехногого робота («собаки») смог удержать вес в 25 раз больше собственного и даже после перегрузки вернулся в исходное состояние. Это сочетание прочности и гибкости, важное открытие для робототехники и безопасного взаимодействия роботов с человеком.
«Благодаря этим угловым модулям мы можем создавать тканые поверхности со сложной пространственной геометрией, которые одновременно жесткие и устойчивые», — подчеркнул Ту.
Авторы исследования отмечают, что перспективы практического применения довольно широки: от легких и безопасных экзоскелетов до строительных элементов и ударопрочных деталей автомобилей. По словам Филипова, в будущем планируется интеграция активных материалов и сенсоров, чтобы такие конструкции могли реагировать на внешнюю среду, становясь по сути «умными» системами.