9500-летнее ткацкое ремесло поможет создавать сверхпрочные материалы для роботов

Инженеры Мичиганского университета доказали, что принципы, заложенные еще в плетении корзин около 9500 лет назад, могут помочь создавать новый класс метаматериалов — искусственных композитов со свойствами, которых не существует в природе.

Исследование показало, что тканые материалы выдерживают многократное сжатие и способны возвращаться к первоначальной форме. Это свойство открывает перспективы для робототехники, автомобилестроения и архитектуры.

Идея возникла у докторанта Говея Вейна Ту после изучения археологической публикации о плетеных корзинах, датированных примерно 7500 годом до н. э. Вместе с профессором Евгением Филипповым он проверил, обусловлена ли долговечность древнего ремесла более глубокими механическими преимуществами, чем только эстетика и способность создавать трехмерные формы.

Команда создала 3D-метаматериалы из полиэфирных лент Mylar. Для эксперимента изготовили две серии образцов: тканые структуры с различными угловыми конфигурациями и сплошные нетканые материалы. При сжатии сплошные образцы необратимо деформировались, тогда как тканые сохранили целостность даже после уменьшения высоты более чем на 80%.

Сканирование высокого разрешения показало, что секрет устойчивости заключается в равномерном распределении нагрузки. Если сплошной материал концентрирует напряжение в отдельных точках, то плетеный равномерно рассеивает его, предотвращая разрушение. Исследователи также опровергли распространенное представление о чрезмерной гибкости тканых структур: они оказались лишь на 30% менее жесткими, чем сплошные аналоги, но при этом значительно более прочными и упругими.

Прототип четвероногого робота на основе таких материалов выдержал вес, в 25 раз превышающий собственный, сохранил подвижность и после перегрузки возвращался к исходной форме. Это доказывает перспективность технологии для создания роботизированных систем, способных выдерживать большие нагрузки без потери функциональности.

Ученые уже разработали концепт тканого экзоскелета, который может менять жесткость и обеспечивать поддержку различных частей тела. Следующим этапом станет интеграция электроники для создания «умных» тканых систем, которые будут реагировать на окружающую среду и адаптировать форму в реальном времени.

Результаты опубликованы в журнале Physical Review Research.