Исследователи MIT воскресили 40-летнюю идею треугольной молнии и превратили её в реальность благодаря 3D-печати

Исследователи из Лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта MIT (CSAIL) разработали трёхстороннюю молнию, способную за считанные секунды превращать гибкие 3D-печатные структуры в жёсткие несущие конструкции.

Механизм под названием "Y-Zipper" может быстро собирать балки, арки, конечности роботов и развёртываемые каркасы – с применением в адаптивной робототехнике, быстро разворачиваемых укрытиях и реконфигурируемых медицинских инструментов.

В отличие от обычных молний, скрепляющих две плоские поверхности, Y-Zipper стягивает три гибких "рукава" в жёсткую треугольную трубку. В расстёгнутом виде конструкция ведёт себя как мягкие пластиковые полоски, каждая из которых сгибается независимо, но после прохода специального бегунка рукава сцепляются в прочную балку, способную выдерживать нагрузку.

Сама концепция родилась ещё в 1985 году, когда профессор MIT Уильям Фримен предложил систему треугольной молнии для быстрой сборки палаток, мебели и контейнеров, однако производственные ограничения того времени делали идею непрактичной – и лишь современные 3D-принтеры позволили вернуться к замыслу.

Команда CSAIL создала программное обеспечение, позволяющее настраивать поведение молнии после сборки – в зависимости от конструкции рукавов механизм формирует прямые стержни, арки, спирали или закрученные структуры.

Вся система, включая рукава и бегунок, изготовлена методом 3D-печати из распространённых полимерных материалов. Инженерный принцип прост: треугольники по своей природе жёстки, и Y-Zipper использует ту же геометрию, что мосты, краны и башни, фактически собирая лёгкую конструкционную балку по запросу.

Переключение между мягким и жёстким состояниями особенно актуально для робототехники. Команда продемонстрировала четвероногого робота, у которого ноги меняют высоту и жёсткость за счёт приведения молнии в действие моторами, позволяя преодолевать неровную местность с динамической подстройкой геометрии конечностей.

В тестах развёртываемых конструкций Y-Zipper использовался для сборки палатки, где трёхсторонний механизм служил одновременно несущим каркасом и соединительной системой – время установки сократилось примерно с шести минут до одной минуты двадцати секунд.

Медицинское направление представлено прототипом гипсовой повязки для запястья, обёрнутой механизмом Y-Zipper – это позволяет ослаблять фиксацию днём для комфорта и затягивать на ночь.

Помимо инженерных задач, систему можно применять в художественных и дизайнерских объектах, и один из прототипов выполнен в виде механического цветка, "распускающегося" по мере того, как мотор застёгивает конструкцию. Испытания на долговечность показали порядка 18 000 циклов застёгивания и расстёгивания до выхода из строя, причём упругое поведение распределяет напряжение по всей сборке, а не концентрирует его в одной точке.

Команда оценила версии из популярных материалов для 3D-печати – полимолочной кислоты (PLA) и термопластичного полиуретана (TPU): первый эффективнее справлялся с тяжёлыми нагрузками, второй обеспечивал большую гибкость. Будущие версии могут использовать более прочные материалы вроде металла и масштабироваться до значительно больших размеров.

Исследователи также упомянули возможные аэрокосмические применения, включая развёртываемые конструкции для космических аппаратов и роботизированные системы для сбора образцов горных пород.