Създадоха надуваеми оригами конструкции, които не спихват

През 2016 г. надуваема арка направи хаос на велосипедното състезание на Тур дьо Франс, когато се спука и падна върху велосипедист, събори го и забави състезанието, докато  изчистят пътя. Длъжностните лица обвиниха своенравната катарама на минаващ зрител за срутването на арката, но истинският виновник беше физиката.

Днешните надуваеми конструкции, използвани за всичко - от полеви болници до спортни комплекси, са моностабилни, което означава, че се нуждаят от постоянно налягане, за да поддържат в напомпано състояние. Без това налягане конструкцията се връща в единствената си стабилна форма - плоска.

Но какво би било, ако тези структури имаха повече от едно стабилно състояние? Ако арката беше също толкова стабилнa, когато е напомпана, колкото и когато е плоска на земята?

Сега изследователите от Харвардското училище по инженерство и приложни науки Джон Полсън (SEAS) са разработили бистабилни надуваеми конструкции, вдъхновени от оригами.

Изследването е публикувано в Nature.

"Това изследване осигурява директен път за ново поколение здрави, мащабни надуваеми системи, които се фиксират на място след разгръщане и не изискват непрекъснато налягане", каза Катя Бертолди, професор по приложна механика на Уилям и Ами Куан в SEAS и старши автор на статията.

Вдъхновен от оригами и като използва геометрия, изследователският екип разработва триъгълни градивни елементи, които могат да изскачат или да се сгъват плоски и да се комбинират в различни конфигурации, за да изграждат затворени, мултистабилни форми.

"Разчитаме на геометрията на тези строителни блокове, а не на характеристиките на материала, което означава, че можем да направим тези строителни блокове от почти всякакви материали, включително евтини материали, които могат да се рециклират", казва Бенджамин Горисен, сътрудник в Наука за материалите и машиностроене в SEAS и съавтор на статията.

Пренасяйки идеята в реалния свят, изследователите са проектирали и изградили надуваема палатка с размери 2,40 на 1,20 метра от дебели пластмасови листове.

Те биха могли да бъдат част от реагирането при извънредни ситуации в зоната на бедствие, казва Дейвид Меланкон, доктор по медицина, съавтор на статията. "Те могат да бъдат подредени плоски върху камион и ви е необходим само един източник на налягане, за да ги надуете. След като се надуят, можете да премахнете източника на налягане и да се преместите на следващата палатка."

Заслонът може да бъде вдигнат от един или двама души, за разлика от дузината, необходими за разполагане на днешните военно-полеви болници.

Градивните елементи на тези оригами структури могат да бъдат смесени и съчетани, за да се създаде структура с всякаква форма или размер. Изследователите са построили редица други конструкции, включително арка или структура в стил пагода. Изследователите също така са проектирали форми с повече от две стабилни форми. И това е цяла вселена за дизайнерски решения за мащабни надуваеми конструкции, които могат да се сгънат плоски и да поддържат своята разгърната форма, без риск от катастрофално разрушаване, казва Чък Хоберман, преподавател по инженерство Пиърс Андерсън в Висшето училище по дизайн и съавтор на статията. Изследователите смята, че тези конструкции имат важни приложения, не само тук на Земята, но потенциално като местообитания за изследване на Луната или Марс.“

More information: Multistable inflatable origami structures at the metre scale, Nature (2021). DOI: 10.1038/s41586-021-03407-4