Впервые несущие конструкции, такие как мосты и убежища, можно создавать с помощью модулей оригами – универсальных компонентов, которые могут компактно складываться и принимать различные формы, – продемонстрировали инженеры Мичиганского университета.

Это достижение позволит быстро восстанавливать объекты и системы, поврежденные или разрушенные во время стихийных бедствий, а также строить в местах, которые раньше считались непрактичными, включая космическое пространство. Технология также может быть использована в конструкциях, которые необходимо быстро построить и затем разобрать, например, на концертных площадках и сценах для мероприятий.

«Благодаря адаптивности и способности выдерживать нагрузки, наша система может создавать конструкции, которые можно использовать в современном строительстве», – сказал Евгений Филипов, доцент кафедры гражданского строительства и машиностроения, а также автор-корреспондент исследования, опубликованного в журнале Nature Communications.

Принципы искусства оригами позволяют складывать и сворачивать большие материалы в небольшие пространства. А поскольку модульные строительные системы получают все большее признание, возрастает потребность в компонентах, которые можно легко хранить и перевозить.

Ученые годами пытались создать системы оригами с необходимой грузоподъемностью, сохраняя при этом возможность быстрого развертывания и изменения конфигурации. Инженеры создали систему оригами, которая решает эту проблему. Примеры того, что может создать система, включают:

• Колонна высотой 1 метр, способная выдержать 2,1 тонны веса, при этом сама она весит чуть больше 7 кг, а площадь основания составляет менее 1 квадратного метра;
• Установка, которая может разворачиваться из куба шириной 1,6 фута и превращаться в различные конструкции, включая пешеходный мост длиной 13 футов, автобусную остановку высотой 6,5 футов и колонну высотой 13 футов и другие.

Ключом к прорыву стал иной подход к проектированию, предложенный И Чжу, научным сотрудником в области машиностроения и первым автором исследования. Чтобы увеличить несущую способность, многие ученые пытались утолщать конструкции в различных местах. Однако команда Университета штата Массачусетс пришла к выводу, что ключевым моментом является равномерность.

«Когда люди работают с концепциями оригами, они обычно начинают с идеи тонких, сложенных из бумаги моделей – предполагая, что материалы будут тонкими. Однако для того, чтобы строить с помощью оригами такие конструкции, как мосты и автобусные остановки, нам нужны математические инструменты, которые могли бы напрямую учитывать толщину при создании оригами», – сказал Чжу.

«Происходит так: вы добавляете один уровень толщины здесь и другой уровень толщины там, и все становится непрочным. Поэтому, когда нагрузка проходит через эти компоненты, они начинают изгибаться. Равномерность толщины компонентов – вот что является ключевым моментом и чего не хватает во многих современных системах оригами. Вес, приходящийся на конструкцию, должен быть равномерно передан по всей ее длине», – говорит Филипов.

Помимо того, что эта система, известная как Modular and Uniformly Thick Origami-Inspired Structure, способна выдерживать большую нагрузку, она может изменять свои формы, превращаясь в мосты, стены, полы, колонны и многие другие конструкции.

Исследованиям Университета штата Массачусетс помогло использование многофизического симулятора последовательной работы оригами (SWOMPS). Это устройство, которое точно предсказывает поведение крупномасштабных систем оригами. Разработанная в Университете штата Массачусетс, система доступна для каждого с 2020 года.