Инженеры из Университета Уэстлейк, Китай, создали синтетическую трубку из жидкокристаллических эластомеров с уникальным диапазоном перемещения. В своей статье «Биоинспирированные спирально-искусственные волокнисто-мышечные структурированные трубчатые мягкие приводы», опубликованной в журнале Science Advances, команда инженеров раскрывает уникальную технологию изготовления, использованную для создания удивительно универсальной трубчатой структуры.
Создание трубчатых мягких приводов с управляемыми и программируемыми преобразованиями формы крайне желательно для научных и инженерных применений. Современные синтетические трубчатые приводы, использующие мягкие активные материалы, имеют ограниченные деформации сжатия и расширения и сильно ограниченные степени свободы, что затрудняет их потенциальное применение.
Исследователи используют жидкокристаллические эластомеры (LCE), тип интеллектуального активного материала, для разработки трубчатых мягких приводов. LCE могут подвергаться крупномасштабным обратимым деформациям и могут быть закодированы с помощью «инструкций по преобразованию». Это позволяет создавать компактные, программируемые, малогабаритные трансформирующие устройства с широким спектром потенциальных инженерных применений.
Для вдохновения исследователи исследовали самый впечатляющий трубчатый мягкий привод в природе — хобот слона. Без костей и суставов длинный хобот слона все еще может выполнять широкий спектр сложных задач, от дыхания и трубного пения до питья и принятия душа, хватания предметов, поднятия и манипулирования ими, а также артикуляции с беспрецедентной степенью свободы.
Мышечные волокна хобота слона многослойны, расположены в определенном направлении и наматываются вокруг длинной оси хобота, образуя трубчатую структуру. Назначение определенных углов позволяет стволу принимать различные режимы морфинга, включая режимы одиночной деформации, такие как укорочение, удлинение, изгиб и кручение, а также сложные режимы морфинга, сочетающие две или более деформации.
Основываясь на мускулатуре туловища, исследователи разработали производственную платформу для намотки нитей для создания спирально-искусственных волокнисто-мышечных трубчатых мягких приводов (HAFMS-TSA). С помощью этих направленных устройств они могли бы воспроизвести естественную концепцию и добиться программируемых деформаций в HAFMS-TSA. Исследователи также обнаружили критические углы намотки, которые позволяют отделять и связывать различные типы деформаций, еще больше расширяя диапазон достижимых характеристик морфинга.
Затем исследователи применили HAFMS-TSA для создания искусственного растения, способного отображать все три категории движений фотоответчика, наблюдаемых у реальных растений: фототропные движения (ориентация на свет), фотофобные движения (ориентация в сторону от света) и фотонастичные движения (изменение формы и ориентации при облучении светом, независимо от направление света).
Продолжая заимствовать данные наблюдений в природе, искусственное растение было сконструировано с фотореактивными органами, стеблями, ветвями и листьями со специфическими фотоответчиками. Нижний стебель оставался фотофобным, сохраняя опору для верхних фототропных структур, изгибающихся навстречу свету. Когда интенсивность света превышает заданный порог, ветви и листья отворачиваются от света благодаря встроенному контуру обратной связи, который обеспечивает эффективный механизм самозащиты.
Адаптивные и автономные трубчатые трансформирующиеся структуры, которые реагируют на изменяющуюся радиационную обстановку, могут найти применение в сборе солнечной энергии, солнечных парусах для космических станций, зондов или спутников, саморегулирующихся оптических устройствах, терморегулируемых зданиях или в качестве комнатного растения, которое никогда не нуждается в поливе и может время от времени давать вам арахис.