MIT разработал платформу для 3D-тканых метаматериалов с программируемыми свойствами

Исследователи Массачусетского технологического института (MIT) разработали вычислительную платформу, которая облегчает создание трёхмерных (3D) тканых метаматериалов с настраиваемыми механическими свойствами. Эти метаматериалы состоят из переплетённых волокон, которые контактируют друг с другом и запутываются, что приводит к уникальному поведению.

Карлос Портела, профессор по развитию карьеры Роберта Н. Нойса и доцент кафедры машиностроения MIT, подчеркнул значимость этого открытия для новых инженерных задач в таких областях, как мягкая робототехника, биомедицинские устройства, носимые технологии и функциональные текстильные материалы.

Платформа, подробно описанная в статье, опубликованной 26 января в журнале Nature Communications, предоставляет открытый исходный код, позволяющий пользователям проектировать метаматериалы, адаптированные под конкретные требования, а также генерировать файлы, пригодные для 3D-печати или моделирования. Такой подход позволяет создавать сложные 3D-тканые структуры с широким спектром свойств.

Портела отметил, что традиционное вязание или ткачество на протяжении веков ограничивалось аппаратными возможностями, что приводило к ограниченному числу узоров для одежды. Он подчеркнул, что новая платформа преодолевает эти ограничения, позволяя разрабатывать инновационные узоры, которые могут существенно изменять поведение текстиля.

Команда исследователей разработала общие правила проектирования в виде алгоритма, который предоставляет графовое представление метаматериала. Этот граф определяет расположение и соединение каждого волокна внутри материала. Основными строительными блоками являются тканые элементарные ячейки, которые можно функционально градуировать, контролируя различные параметры дизайна, такие как радиус и шаг волокон, составляющих тканые стержни.

Главный автор статьи Молли Картон, бывший постдокторант в лаборатории Портелы и ныне ассистент-профессор машиностроения в Университете Мэриленда, объяснила, что платформа позволяет адаптировать метаматериалы так, чтобы они были мягче в одном месте и жестче в другом, либо меняли форму при растяжении. Эта возможность обеспечивает исключительный диапазон поведения, который было бы сложно реализовать с помощью традиционных мягких материалов.

Платформа моделирования также позволяет пользователям прогнозировать деформационную реакцию этих материалов, учитывая сложные явления, такие как самоконтакт волокон и их запутывание. Эта предсказательная способность позволяет проектировать материалы, способные сопротивляться деформациям или разрывам.

Портела выразил восторг по поводу возможности настраивать разрушение этих материалов и создавать произвольные комбинации. На основе симуляций команда смогла изготовить геометрии с пространственным варьированием и провести микроскопические эксперименты.

Эта работа стала первой, предоставившей инструмент для проектирования, печати и моделирования нового класса метаматериалов, которые одновременно являются растяжимыми и прочными. Она демонстрирует, что путем настройки геометрических параметров пользователи могут контролировать и предсказывать, как эти материалы будут деформироваться и разрушаться. Исследование представляет несколько новых строительных блоков дизайна, существенно расширяющих пространство свойств тканых метаматериалов.

Картон считает, что платформа будет полезна во многих дисциплинах. Выпустив этот инструмент в виде программного обеспечения, команда надеется, что другие исследователи изучат возможности использования тканых решёток и найдут новые способы применения этой гибкости дизайна. Она с нетерпением ожидает, какие возможности откроет эта работа.