Инженеры из Университета Колорадо в Боулдере случайно разработали материал, который сначала деформируется, а затем выстреливает в воздух при нагревании.
В рамках работы Тайлер Хебнер, доктор химической и биологической инженерии, а также ее коллеги изучали различные способы поведения класса материалов, известных как жидкокристаллические эластомеры, под воздействием тепла. Эти материалы представляют собой затвердевшую, эластичную версию жидких кристаллов, используемых внутри дисплеев, таких как экраны ноутбуков или телевизоры. В будущем они могут использоваться в ветровых стеклах для защиты пилотов от, к примеру, ослепления лазерными указками.
«Мы просто смотрели, как жидкокристаллический эластомер покоится на нагревательном столе, и удивлялись, почему он не принимает форму, которую мы ожидали, — рассказала Хебнер. — И тут он внезапно спрыгнул со своего места на столешницу. Тогда мы были сильно смущены».
Дальнейшее расследование показало, что причиной прыжков стала особая структура пленки — та состояла из трех слоев. При нагревании два верхних слоя сжимаются быстрее, чем нижний, в результате чего он принимает форму конуса. В конце концов из-за нарастания напряжения конус переворачивается, ударяясь о поверхность, на которой он нагревается, и резко поднимается в воздух. В ходе испытаний исследователи обнаружили, что всего за шесть миллисекунд пленка может увеличиться по толщине почти в 200 раз:
«Когда происходит эта инверсия, материал отскакивает от поверхности словно детская игрушка-хлопушка», — рассказал соавтор исследования Тимоти Уайт, профессор химической и биологической инженерии в Калифорнийском университете в Боулдере. В этом отношении исследование перекликается с другой работой, проведенной в Гарвардском университете в 2020 году, в котором дизайн игрушки с поппером вдохновил на создание привода, который в будущем поможет роботам преодолевать труднопроходимую местность.
Исследователи сравнивают действие пленки с прыжками кузнечиков, и считают, что она пригодится в разработке мягких роботов — тех, которые работают без металлических или других твердых материалов, используя свет и магнитные поля. «В природе многие приспособления (например, нога кузнечика) используют накопленную энергию, такую как упругая нестабильность, — сказал Уайт. — Мы пытаемся создать синтетические материалы, которые имитируют эти свойства».
В рамках изучения структуры используемых пленок исследовательская группа обнаружила, что их материал также можно заставить прыгать при охлаждении, а не при нагревании. Ученые также уверяют, что, добавляя ножки к пленке, можно контролировать направление ее прыжков. Хотя команда признает, что этот материал не станет основным источником движения для мягких роботов, ученые считают, что их открытие помогает расширить знания о том, как заставить машины работать лучше.