Формула идеальной пружины: создан метаматериал для самых гибких роботов

Исследователи из Технологического института Карлсруэ разработали революционную структуру , превосходящую природные аналоги по способности накапливать механическую энергию. В основе изобретения — особая геометрия из скрученных элементов, деформирующихся по спирали. Относится оно к области метаматериалов — искусственно созданных конструкций, чьи необычные свойства достигаются за счет точного расположения миниатюрных компонентов, а не химического состава.

В отличие от традиционных пружин, где изгиб создает опасную концентрацию напряжений на крайних точках, в новой конструкции нагрузка распределяется равномерно по всей поверхности. Это позволяет элементам выдерживать значительные деформации без риска разрушения или необратимых изменений формы.

Главная сложность заключалась в том, чтобы совместить противоречащие друг другу характеристики: высокую жесткость, прочность и способность к значительным обратимым деформациям, — поясняет профессор Петер Гумбш из Института прикладных материалов KIT.

Решение нашлось в особой архитектуре из переплетенных компонентов, образующих трехмерную сеть. Международный коллектив, включающий специалистов из Китая и США, сначала изучил поведение одиночных цилиндрических элементов при кручении. Сперва обнаружили механизм, позволяющий простому круглому стержню запасать большое количество энергии без разрушения и остаточной деформации. Затем эту механику удалось воспроизвести на больших масштабах. Компьютерное моделирование предсказало выдающиеся характеристики, которые подтвердились на практике.

Испытания показали: материал способен запасать в 2-160 раз больше упругой энергии по сравнению с известными искусственными структурами. При этом он легко восстанавливает форму после растяжения или сжатия. Такое сочетание свойств открывает широкие перспективы для промышленного применения, особенно для робототехники.

Традиционные жесткие шарниры уступят место гибким соединениям, которые накапливают и отдают энергию при движении. Это сделает манипуляторы более плавными и экономичными. В экзоскелетах подобные элементы помогут точнее имитировать естественные движения человека.

Промышленные механизмы также выиграют от внедрения новой разработки. Амортизаторы и демпферы на её основе поглотят больше вибраций, продлевая срок службы оборудования. В транспорте такие компоненты улучшат плавность хода и снизят расход энергии на преодоление неровностей.

Наши новые метаматериалы с их высокой способностью накапливать упругую энергию имеют потенциал для использования в различных областях, где требуется как эффективное энергосбережение, так и исключительные механические свойства, — подчеркивает Гумбш.

Следующий этап исследований будет направлен на оптимизацию структуры для конкретных задач и создание промышленных образцов.