MIT разработал методику проектирования 3D-тканых метаматериалов

Исследователи Массачусетского технологического института (MIT) разработали вычислительную методику проектирования трехмерных (3D) тканых метаматериалов. Эти материалы, характеризующиеся своей внутренней микроструктурой, а не химическим составом, спроектированы так, чтобы быть мягкими, податливыми и деформируемыми, что делает их подходящими для применения в мягкой робототехнике, биомедицинских устройствах и носимой технологии.

Методика генерирует сложные 3D-тканые структуры, состоящие из переплетенных волокон, которые самоконтактируют и запутываются, обеспечивая уникальные механические свойства. Карлос Портела, профессор по развитию карьеры Роберта Н. Нойса и доцент машиностроения в MIT, подчеркнул важность мягких материалов в новых инженерных задачах, заявив:

«Мягкие материалы необходимы для решения новых инженерных задач в таких областях, как мягкая робототехника, биомедицинские устройства или даже носимые устройства и функциональные текстильные изделия.»

Исследование, опубликованное 26 января в журнале Nature Communications, включает открытый исходный код, который позволяет пользователям создавать проекты, адаптированные под конкретные требования, и генерировать файлы для 3D-печати или моделирования. Правила проектирования, представленные в виде алгоритма, обеспечивают графовое представление метаматериала, определяя расположение волокон и их соединения внутри структуры. Такой подход позволяет создавать материалы с различной жесткостью и способностью изменять форму под нагрузкой.

Ведущий автор Молли Картон, ранее постдокторант в лаборатории Портелы и ныне ассистент исследовательского профессора в Университете Мэриленда, отметила универсальность методики:

«Поскольку эта методика позволяет адаптировать метаматериалы так, чтобы они были мягче в одном месте и жестче в другом, или меняли форму при растяжении, они могут демонстрировать исключительный спектр поведения, который было бы сложно спроектировать с использованием традиционных мягких материалов.»

Симуляционная методика также предсказывает реакции на деформацию, учитывая сложные явления, такие как самоконтакт волокон и их запутывание. Эта предсказательная способность позволяет проектировать материалы, способные противостоять деформации или контролировать схемы разрушения. Портела отметил важность возможности настройки разрушения в этих материалах, заявив:

«Самым захватывающим было умение настраивать разрушение в этих материалах и проектировать произвольные комбинации.»

Данная работа предоставляет инструмент для проектирования, печати и моделирования нового класса растяжимых и прочных метаматериалов, расширяя пространство свойств тканых структур. Картон выразила оптимизм относительно потенциала методики в различных дисциплинах, сказав:

«Выпуская эту методику в виде программного инструмента, мы надеемся, что другие исследователи исследуют возможности тканых решеток и найдут новые способы использования этой гибкости проектирования.»