Новый гибкий материал стал кандидатом для строительства в космосе

В живых организмах многое состоит из простых повторяющихся элементов, собранных в развивающуюся решётку. Например, кости или кораллы складываются в результате многократного повторения базового элемента, который разрастается. Такие натуральные структуры, принимая те или иные формы, могут обладать удивительной прочностью, многофункциональностью и другими полезными свойствами.


Самое главное, что полученная структура часто обладает свойствами, которых нет у исходного элемента решётки. Например, отдельные костные клетки или скелеты коралловых полипов не очень прочные, но, работая вместе, они выдерживают огромный вес животных или гигантские подводные колонии.

Вдохновляясь природой, инженеры стремились воспроизвести эту гибкость. Определенного успеха в этом вопросе ещё в 2021 году достигли исследователи из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук имени Джона Полсона (SEAS). Они разработали материал, который может принимать и удерживать любую возможную форму, как показано схематически ниже.



В SEAS в 2021-м соединили отдельные простые ячейки со стабильными суставами, построив двухмерные и трёхмерные структуры. Исследователи назвали сборку «тотиморфными материалами», то есть способными разворачиваться в любую стабильную конструкцию. При этом речь идёт не о том, из чего сформирован материал, а о том, как он структурирован. Напрашивается прямое сравнение с оригами или изделиями из картона: простое и податливое можно сложить в нечто сложное и прочное.

Изобретение из SEAS открыло путь к созданию нового типа многофункционального материала, который можно использовать в самых разных областях — от робототехники и биотехнологий до архитектуры.

Дальнейшим шагом на этом направлении стало изучение метаматериалов — структур, которые могут менять свою форму или свойства под воздействием простой внешней силы, например электрического поля или за счёт сжатия.

Такие материалы особенно интересны для применения в космосе. Так что очередного успеха в этом достигли учёные из группы перспективных концепций Европейского космического агентства (ESA).

Основным элементом их тотиморфной решётки стал треугольник. К неподвижной балке с шаровым шарниром в центре они прикрепили рычаг, а другой конец рычага — к концам неподвижной балки с помощью двух пружин. Когда несколько таких фигур соединены вместе, полученная структура может принимать самые разные формы и структуры с минимальными усилиями, что придало тотиморфной решётке от ESA невероятную гибкость.

Один из основных вопросов относительно этих решёток заключался в том, как сложить большую структуру иначе, не спутав решётку, и как выполнить это преобразование наиболее эффективно.

Исследователи сначала разработали компьютерную модель тотиморфных решёток и выяснили, как оптимизировать преобразование одной формы в другую.

Инженеры продемонстрировали новую технологию на двух примерах. В первом случае они создали простую конструкцию для проживания в ней космонавтов, которая могла менять свою форму и жёсткость. В будущем такие жилые модули для инопланетных поселенцев сохраняли бы свою форму до тех пор, пока их не пересобрали бы для других нужд.

В качестве примера исследователи сконструировали гибкий космический телескоп. Благодаря тотиморфным решёткам телескоп мог менять фокусное расстояние, изменяя кривизну линзы. Это позволило бы запустить один многоцелевой телескоп с возможностью перенастраивать его для наблюдения за различными объектами.



Тотиморфные решётки от ESA на сегодняшний день пока ещё пребывают на стадии бумажных и пластиковых моделей. Однако исследование имеет решающее значение для продвижения человечества в космос.

Дороговизна и сложность запуска материалов за пределы Земли означают, что науке необходимы гибкие, настраиваемые конструкции, которые будет выгоднее запускать в космос и там использовать.