Легкая ткань напечатана на 3D-принтере из нейлоновых пластиковых полимеров и состоит из полых октаэдров (форма с восемью равными треугольными гранями), которые сцепляются друг с другом.
Когда мягкая ткань завернута в гибкий пластиковый конверт и запакована в вакууме, она превращается в жесткую структуру, которая в 25 раз жестче или сложнее сгибаться, чем в расслабленном состоянии. Физический принцип, лежащий в основе этого, называется «переходом от заклинивания», аналогично застыванию в вакуумных пакетах с рисом или бобами.
Эта разработка, известная как «пригодные для носки структурированные ткани», может проложить путь для интеллектуальных тканей следующего поколения, которые могут упрочняться, чтобы защитить пользователя от ударов или когда требуется дополнительная несущая способность.
Потенциальные применения могут включать пуленепробиваемые или ударопрочные жилеты, настраиваемую медицинскую поддержку для пожилых людей и защитные экзоскелеты для ударопрочного спорта или рабочих мест, таких как строительные площадки.
Это междисциплинарное исследование, опубликованное сегодня (11 августа 2021 года, 11:00 EST) в журнале Nature, является результатом сотрудничества экспертов в области машиностроения и передового производства.
Ведущий автор статьи, доцент Ван Ифань из Наньяна, сказал, что их исследования имеют фундаментальное значение, а также актуальность для промышленности и могут привести к созданию новой платформенной технологии с приложениями в медицинских и роботизированных системах, которые могут принести пользу обществу.
«Благодаря специальной ткани, которая является легкой и настраиваемой – легко меняющейся от мягкой до жесткой – мы можем использовать ее для удовлетворения потребностей пациентов и стареющего населения, например, для создания экзоскелетов, которые могут помочь им стоять, переносить грузы и помогать им в их повседневных делах ", – сказал Аст. Профессор Ван из Школы механической и аэрокосмической инженерии НТУ, который начал это исследование, когда работал научным сотрудником в Калифорнийском технологическом институте.
«Вдохновленные древними кольчужными доспехами, мы использовали пластиковые полые частицы, которые сцеплены друг с другом, чтобы повысить жесткость наших настраиваемых тканей.
Чтобы еще больше повысить жесткость и прочность материала, мы сейчас работаем над тканями, сделанными из различных металлов, включая алюминий, которые могут быть использованы для более крупных промышленных применений, требующих более высокой грузоподъемности, таких как мосты или здания."
Автор, ответственный за переписку, профессор Кьяра Дарайо, G. Брэдфорд Джонс, профессор машиностроения и прикладной физики, сказал: «Мы хотели создать материалы, которые могут изменять жесткость по команде.
Мы хотим создать ткань, которая становится управляемой от мягкой и складывающейся до жесткой и несущей."
Примером из популярной культуры может служить плащ Бэтмена из фильма «Бэтмен: начало» 2005 года, который в целом гибкий, но его можно сделать жестким по желанию, когда крестоносцу в плаще он понадобится как планер.
Наука, лежащая в основе переплетенной ткани
Научная концепция, лежащая в основе ткани переменной жесткости, называется "переходом от заедания".«Это переход, при котором агрегаты твердых частиц переходят из жидкого мягкого состояния в твердое твердое состояние с небольшим увеличением плотности упаковки. Однако типичные твердые частицы обычно слишком тяжелые и не обеспечивают достаточного сопротивления растяжению для носимых устройств.
В своих исследованиях авторы разработали структурированные частицы, каждая из которых состоит из полых рамок, в форме колец, овалов, квадратов, кубов, пирамид и различных форм октаэдров, которые затем соединяются вместе. Эти структуры, известные как топологически взаимосвязанные структуры, затем могут быть сформированы в кольчужную ткань, которая имеет низкую плотность и все же высокую жесткость на растяжение, с использованием современной технологии 3D-печати для печати их как единого элемента.
Затем они смоделировали количество средних точек контакта на частицу и то, насколько каждая структура будет изгибаться в ответ на величину приложенного напряжения. Команда обнаружила, что, настраивая форму частиц, существует компромисс между тем, какой вес будут иметь частицы и насколько ткань может изгибаться, и как уравновесить эти два фактора.
Чтобы добавить способ контроля жесткости ткани, команда заключила ткань кольчуги в гибкий пластиковый конверт и уплотнила ткани с помощью вакуума, который оказывает давление снаружи.
Вакуумное давление увеличивает плотность упаковки ткани, заставляя каждую частицу иметь больший контакт со своими соседями, в результате чего для ткани на основе октаэдра структура становится в 25 раз более жесткой. При формировании плоской конструкции в форме стола и вакуумной фиксации на месте ткань могла выдерживать нагрузку в 1.5 кг, что более чем в 50 раз превышает собственный вес ткани.
В другом эксперименте команда уронила небольшой стальной шар (30 граммов, размером 1.27 см в диаметре) на кольчугу со скоростью 3 метра в секунду. Удар деформировал ткань до 26 мм, когда она была расслаблена, и всего на 3 мм, когда она стала жесткой, что в шесть раз уменьшило глубину проникновения.
Чтобы продемонстрировать возможности своей концепции ткани с использованием другого исходного материала, команда напечатала на 3D-принтере кольчугу из алюминия и продемонстрировала, что она обладает такой же гибкостью и “ мягкостью ”, что и нейлон в расслабленном состоянии, и при этом ее также можно “ зажать ” в конструкции, которые намного жестче по сравнению с нейлоном из-за более высокой жесткости и прочности алюминия.
Эти металлические кольчуги могут использоваться в таких приложениях, как бронежилеты, где они должны защищать от сильных и высокоскоростных ударов острыми предметами.
В таком случае оболочка или материал оболочки может быть изготовлен из арамидных волокон, широко известных как кевлар, используемых в качестве ткани в пуленепробиваемых жилетах.
Двигаясь вперед, команда стремится улучшить характеристики материала и ткани своей кольчуги и изучить другие методы ее придания жесткости, например, с помощью магнетизма, электричества или температуры.