Потребовалось 40 лет, чтобы технологии догнали эту конструкцию молнии.

Подпись : Созданная пользователем Y-образная молния будет «менять форму» в реальном мире. В расстегнутом виде она может выглядеть как кальмар с тремя раскинувшимися щупальцами, а в сложенном — как более компактная структура. Фото : Тим Маликал/MIT CSAIL

В 1985 году Фонд инновационного дизайна разместил в журнале Scientific American объявление, предлагающее до 10 000 долларов на поддержку разработки оригинальных прототипов одежды, предметов домашнего декора и текстиля. Уильям Фриман, доктор философии (выпуск 1992 года), тогда инженер-электрик в компании Polaroid, а ныне профессор Массачусетского технологического института, увидел его и предложил оригинальную идею: трехстороннюю молнию. Вместо застегивания брюк, она должна была стать переключателем, который плавно переводил бы стулья, палатки и сумки из мягкого состояния в жесткое, облегчая их упаковку и сборку.

Чертеж Фримена был очень похож на обычную молнию, только треугольной формы. С каждой стороны он прибил ремень, соединяющий узкие деревянные «зубцы». Ползунок, обхватывающий устройство, можно было перемещать вверх, чтобы закрепить три полоски на месте, выпрямляя их в треугольную трубку. Его предложение было отклонено, но Фримен запатентовал свой прототип и хранил его в гараже в надежде, что он когда-нибудь пригодится.

Спустя почти 40 лет исследователи из Лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта Массачусетского технологического института (CSAIL) решили возродить проект по созданию предметов с «регулируемой жесткостью». Предыдущие попытки регулировки жесткости были необратимыми или требовали ручной сборки, поэтому CSAIL разработала автоматизированный инструмент проектирования и адаптируемую застежку под названием «Y-образная молния». Разработанная учеными программа помогает пользователям создавать трехсторонние молнии, которые затем автоматически изготавливаются на 3D-принтере из пластика. Эти устройства можно прикреплять или встраивать в туристическое снаряжение, медицинское оборудование, роботов и художественные инсталляции для более удобной сборки.

«Обычная молния отлично подходит для застегивания плоских предметов, например, куртки, но Фриман придумал нечто более динамичное. Используя современные технологии изготовления, его механизм может трансформировать более сложные предметы», — говорит Цзяцзи Ли, научный сотрудник MIT и исследователь CSAIL, ведущий автор статьи в открытом доступе, посвященной этому проекту. «Мы разработали процесс, позволяющий создавать объекты, которые можно быстро переводить из гибкого состояния в жесткое, и вы можете быть уверены, что они будут работать в реальном мире».

Посмотрите видео Y-Zipper: 3D-печать для создания гибких и жестких переходов одним щелчком мыши.

Почему именно молнии?

В программном обеспечении CSAIL пользователи могут настраивать внешний вид застежек в застегнутом состоянии; они могут выбрать длину каждой полоски, а также направление и угол изгиба. Они также могут выбрать один из четырех вариантов движения, чтобы определить, как будет выглядеть молния в застегнутом состоянии: прямая, изогнутая (похожая на арку), свернутая (напоминающая пружину) или скрученная (похожая на винты).

Получившаяся Y-образная молния будет выглядеть в реальности как «трансформер». В расстегнутом виде она напоминает кальмара с тремя раскинувшимися щупальцами, а в сложенном — становится более компактной конструкцией (например, стержнем). Такая гибкость может быть полезна в путешествиях — например, при установке палатки. Сам процесс может занять до шести минут, но с помощью Y-образной молнии его можно выполнить за одну минуту и ​​20 секунд. Вы просто прикрепляете каждое «щупальце» к одной из сторон палатки, поддерживая конструкцию сверху, так что молния, кажется, «вскрывает» навес.

Этот плавный переход также может открыть возможности для создания более гибких носимых устройств, часто полезных в медицинской практике. Команда обернула Y-образную молнию вокруг гипсовой повязки на запястье, чтобы пользователь мог ослаблять ее днем ​​и застегивать ночью для предотвращения дальнейших травм. В свою очередь, кажущееся жестким устройство можно сделать более удобным, адаптируясь к потребностям пациента.

Система также может помочь пользователям в создании технологий, которые двигаются по нажатию кнопки. После изготовления к Y-образной молнии можно прикрепить двигатель для автоматизации процесса застегивания, что помогает создавать, например, адаптивного роботизированного четвероногого робота. Робот потенциально мог бы изменять размер своих ног, сжимаясь в более высокие конечности и расстегивая молнию, когда ему нужно опуститься ниже к земле. В конечном итоге, такие быстрые регулировки могли бы помочь роботу исследовать неровную местность, например, каньоны или леса. Приводимые в движение Y-образные молнии также могут использоваться для создания динамичных художественных инсталляций — например, команда создала длинный извилистый цветок, который «расцвел» благодаря статическому двигателю, застегивающему молнию устройства.

Освоение материала

Хотя Ли и его коллеги увидели творческий потенциал Y-образной молнии, еще не было ясно, насколько она будет прочной. Смогут ли они выдерживать ежедневное использование?

Чтобы это выяснить, команда провела серию стресс-тестов. Сначала они оценили прочность и гибкость полимолочной кислоты (PLA) и термопластичного полиуретана (TPU) — двух пластмасс, широко используемых в 3D-печати. ​​Используя станок, который сгибал Y-образные молнии, они обнаружили, что PLA выдерживает более тяжелые нагрузки, в то время как TPU более податлив.

В другом эксперименте исследователи CSAIL использовали привод для непрерывного открытия и закрытия Y-образной молнии, чтобы определить, сколько времени потребуется, чтобы она порвалась. После примерно 18 000 циклов застегивания и расстегивания молния наконец сломалась. Секрет прочности Y-образной молнии, согласно 3D-моделированию, заключается в ее упругой структуре, которая помогает распределять нагрузку от тяжелых предметов.

Несмотря на эти результаты, Ли предполагает создание еще более прочной трехсторонней молнии с использованием более прочных материалов, таких как металл. Возможно, они также смогут увеличить размер молний для крупномасштабных проектов, но это пока невозможно с использованием их текущей платформы 3D-печати.

Цзяцзи также отмечает, что некоторые области применения остаются неизученными, например, освоение космоса, где щупальца Y-образной молнии можно было бы встроить в космический аппарат для захвата образцов горных пород, находящихся поблизости. Аналогично, молнии можно было бы встраивать в быстро собираемые конструкции, помогая спасателям оперативно устанавливать убежища или медицинские палатки во время стихийных бедствий и спасательных операций.

«Переосмысление обычной застежки-молнии для решения задачи трехмерных морфологических переходов — это блестящий подход к динамической сборке», — говорит доцент Чжэцзянского университета Гуаньюнь Ван, не принимавшая участия в написании статьи. «Что еще важнее, это эффективно преодолевает разрыв между мягким и жестким состояниями, предлагая масштабируемый и инновационный подход к изготовлению, который принесет большую пользу будущему проектированию воплощенного интеллекта».

Ли и Фриман написали статью совместно с аспирантом Тяньцзиньского университета Сян Чангом и коллегами из MIT CSAIL: аспиранткой Максин Перрони-Шарф; студенткой Диннин Цао; недавними приглашенными исследователями Минмином Ли (Чжэцзянский университет), Джереми Мржиглоцки (Технический университет Мюнхена) и Такуми Ямамото (Университет Кейо); а также доцентом MIT Стефани Мюллер, которая является главным исследователем CSAIL и старшим автором работы. Их исследование частично финансировалось за счет постдокторской исследовательской стипендии Чжэцзянского университета и программы MIT-GIST.

Результаты работы исследователей были представлены на конференции ACM по взаимодействию человека и компьютера (CHI), посвященной человеческому фактору в вычислительных системах, в апреле.

Источник: news.mit.edu