Ученые MIT создали вычислительную платформу для проектирования мягких деформируемых метаматериалов с помощью 3D-печати. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications 26 января. Команда под руководством профессора Карлоса Портелы разработала методологию создания материалов с программируемыми свойствами.
Трёхмерные тканые структуры с переплетёнными волокнами
Технология создает трёхмерные тканые метаматериалы из переплетённых волокон. Волокна самостоятельно контактируют и переплетаются для придания материалу заданных характеристик. Профессор Портела объясняет: "Мягкие материалы нужны для решения задач в мягкой робототехнике, биомедицинских устройствах и функциональных тканях".
Система включает алгоритм, который создаёт графическое представление метаматериала. Программа определяет размещение каждого волокна внутри структуры. Базовые элементы - тканые ячейки. Их можно градуировать путём управления различными параметрами проектирования.
Контроль деформации и предсказание разрушения
Молли Картон, ведущий автор исследования и ассистент-профессор Университета Мэриленда, отмечает: "Технология позволяет создавать метаматериалы, которые могут быть мягче в одном месте и жёстче в другом. Они демонстрируют исключительный диапазон поведения".
Разработка позволяет предсказывать деформационный отклик материалов. Система проектирует устойчивость к определённым типам разрушения. Симуляционная среда захватывает сложные явления, включая самоконтакт волокон и их переплетение.
Применение в промышленности и медицине
Технология охватывает широкий спектр областей:
- Носимые сенсоры, адаптирующиеся к движению человеческой кожи
- Ткани для аэрокосмической отрасли
- Гибкие электронные устройства
- Биомедицинские имплантаты
Исследователи предоставили открытый программный код. Пользователи могут создавать проекты под конкретные требования и генерировать файлы для 3D-печати.
Возможности для российских предприятий
Для российских промышленных предприятий, внедряющих аддитивные технологии, подобные разработки открывают новые возможности в быстром прототипировании. Мелкосерийное производство функциональных изделий получает дополнительные инструменты.
Компании, специализирующиеся на печати пластиком и технологиях FDM, уже сегодня могут адаптировать принципы создания программируемых структур. Это позволит производить специализированные детали для конкретных задач.
| Параметр | Характеристики |
|---|---|
| Тип материала | Тканые метаматериалы |
| Программируемость | Контроль жёсткости и деформации |
| Применение | Робототехника, медицина, аэрокосмос |
| Доступность | Открытый программный код |
Комплексный подход к внедрению технологий
Эксперты отрасли отмечают: развитие технологий создания метаматериалов требует комплексного подхода. Нужно современное оборудование для 3D-печати и точные системы контроля геометрии готовых изделий.
Российские технологические партнеры, такие как Cybercom, уже предлагают промышленным предприятиям комплексные решения для внедрения аддитивных технологий. Решения включают высокоточное 3D-сканирование и цифровой контроль качества на всех этапах производства.
Первый инструмент для произвольных тканых структур
Картон подчёркивает потенциал технологии: "До сих пор эти сложные трёхмерные решётки проектировались вручную. Это ограничивало количество протестированных конструкций. Мы смогли описать принципы работы тканых решёток и создать инструмент проектирования для произвольных тканых структур".
Исследование демонстрирует первый инструмент для проектирования, печати и моделирования нового класса растяжимых и прочных метаматериалов. Работа показывает: через настройку геометрических параметров пользователи могут контролировать и предсказывать деформацию и разрушение материалов.
Команда исследования и планы развития
Соавторы исследования "Design framework for programmable three-dimensional woven metamaterials" - Джеймс Утама Сурджади, Бастьен Аймон и Лин Сюй. Команда планирует дальнейшее развитие платформы как программного инструмента для исследователей различных дисциплин.
Разработка открывает новые горизонты для создания материалов с заданными свойствами. Технология может революционизировать подходы к проектированию функциональных материалов для промышленности и медицины.
