Работу, опубликованную в журнале Nature Communications, провели ученые из Мичиганского университета вместе с коллегами из США и Европы. Исследователи изучили, как складки, вдохновленные оригами, могут задавать материалы с заранее запрограммированными свойствами. Такие структуры легко меняют форму, подстраиваясь под нужную задачу. Это делает их перспективными для самых разных сфер — от кроссовок до крыльев самолетов.
Оригами, искусство складывания бумаги, давно привлекало внимание не только художников, но и инженеров. Оно превращает плоский лист в объемные конструкции, и это свойство можно использовать для создания метаматериалов — искусственно разработанных веществ, чьи необычные свойства определяются не химическим составом, а формой.
Команда под руководством Джеймса МакИнерни предложила новую математическую модель, описывающую поведение таких складок. В отличие от прежних работ, основанных только на прямоугольных и квадратных элементах, они рассмотрели более сложные формы — трапеции. Это позволило добиться новых типов деформаций, включая «дыхание», равномерное расширение и сжатие, и «сдвиг», искажение в виде скручивания.
Интересно, что часть поведения, характерного для прямоугольных складок, повторилась и в более сложных конструкциях. Это может означать, что существуют универсальные принципы трансформации, применимые к самым разным структурам.
По словам соавтора исследования Зеба Роклина, современные методы физики не всегда справляются с предсказанием поведения таких материалов. Но именно это делает задачу такой ценной: «Наша задача — сделать твердые материалы умными, как в природе. В теле человека множество тканей деформируется не хаотично, а строго по назначению. Мы хотим добиться того же с помощью оригами».
Такие подходы помогут создавать легкие, прочные и при этом гибкие конструкции, причем даже без добавления массы, за счет одной лишь геометрии. Оригами-инженерия не перестает удивлять — та же идея складывания, которая вдохновляет физиков на создание гибких метаматериалов, теперь помогает работать даже с керамикой. Как ученым удалось заставить этот хрупкий материал сгибаться, а не ломаться — об этом вы можете узнать из другой статьи.