Группа исследователей из Нидерландов предложила материал с контролируемой упругостью. Оказалось, что предложенную ими структуру достаточно сжимать с разным усилием, чтобы он предсказуемо изменял свою жесткость в широком диапазоне значений (в направлении, перпендикулярном сжатию). Структура представляет собой пластину из силикона с отверстиями двух различных размеров. Подобный «программируемый» материал может найти применение в робототехнике, медицинских протезах или даже в обычной обуви.

«Умные материалы» выделяются свойствами, которые могут изменяться в ответ на воздействия окружающей среды.

Например, исследователи разработали настраиваемые амортизаторы вибрации для автомобилей и для защиты зданий от землетрясений.

Принцип работы этих устройств основан на изменении их жесткости и, таким образом, частоты, на которой они поглощают вибрацию. Как правило, для этого используются пьезоэлектрические материалы, для изменения свойств которых требуется внешнее электрическое поле.

Но чисто механические технологии, не зависящие от электроэнергии, могут быть намного дешевле и надежнее.

Группа ученых из University of Leiden (Нидерланды) разработала и испытала такую механическую структуру. Результат их работы – пример так называемого метаматериала, свойства которого определяются его макроскопической структурой, а не химическим составом.

Ранее механические метаматериалы использовались для изготовления акустических демпферов, которые могут включаться и выключаться при помощи небольшого сжатия.

Отличие нового предложенного учеными материала от упомянутых ранних разработок в том, что он имеет целый диапазон механических свойств, а не просто переключается между двумя состояниями.

В рамках своей работы исследователи создали пластину из силикона 35 мм толщиной, перфорированную рядами отверстий с чередующимся диаметром (7 и 10 мм), так что каждое большое отверстие окружено четырьмя маленькими, и наоборот. В своих экспериментах группа контролировала жесткость в одном направлении листа (назовем его y), сжимая его при помощи точно измеренного усилия в другом направлении (x).

Далее при фиксированном сжатии по оси x они измеряли соотношение между воздействием и деформацией в направлении y. Выяснилось, что форма этой зависимости в значительной степени определяется степенью деформации по оси x.

Когда лист сжимался по оси y, большие отверстия сжимались либо оси x, либо по оси y, а небольшие отверстия – в перпендикулярном направлении. При этом при увеличении давления по y направления сжатия отверстий может резко «переключаться», что скачкообразно меняет упругость материала. Согласно стандартной практике, достигнув наиболее сжатого состояния пластины, группа запустила эксперимент в обратном направлении, получив ту же самую картину зависимости упругости от сжатия при уменьшении деформации.

В ходе экспериментов исследователи выявили четыре типа поведения метаматериала.

При небольшом или отсутствующем сжатии по оси x величина деформации по y плавно увеличивается с повышением приложенной силы. Для большего сжатия перелом в кривой зависимости деформации от напряжения делает ее нелинейной. При еще большем повышении сжатия кривая демонстрирует своеобразный «гистерезис» (еще более нелинейное поведение, в рамках которого при прямом и обратном проходе по кривой они не совпадают). На этом отрезке кривой материал может поглощать и рассеивать энергию (путем генерации небольшого количества теплоты), а не просто запасать ее, как пружина. Наконец, для еще большего сжатия по оси x кривая зависимости снова становится гладкой. То же самое поведение, кстати, ученые наблюдали и в рамках численного моделирования двумерного упругого листа с той же схемой отверстий.

Исследователи предлагают несколько потенциальных применений разработанного метаматериала.

• Во-первых, с его помощью можно создавать конечности роботов, которые будут изменять упругость, в зависимости от рельефа местности. Аналогичным образом можно построить бампер автомобиля, чтобы он рассеивал энергию во время столкновения, но впоследствии возвращался к своей первоначальной форме.

Коллеги ученых считают, что опубликованная работа – серьезный шаг вперед в разработке механических метаматериалов. Они ожидают, что

опубликованная работа стимулирует дальнейшие исследования в этом направлении.

Подробные результаты работы опубликованы в журнале Physical Review Letters.