Naukowcy z Harvardu, John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) opracowali wytwarzane maszynowo dzianiny, które mogą działać jak programowalne przełączniki, czujniki oraz inne praktyczne urządzenia. Materiały wykorzystują zjawisko multistabilności, czyli zdolność do przyjmowania kilku różnych, trwałych kształtów.
– Zawsze fascynowały mnie tkaniny i dzianiny oraz to, co możemy z nich projektować i budować – powiedziała Kausalya Mahadevan, absolwentka studiów doktoranckich, która obecnie pracuje w laboratorium Katii Bertoldi, profesor mechaniki stosowanej im. Williama i Ami Kuan Danoffów.
Czytaj więcej
To może być tkanina przyszłości. Naukowcy opracowali rewolucyjny materiał, który przekształca odzież w interaktywnego asystenta AI sterowanego głos...
– Nasze pomysły dotyczące multistabilności materiałów tekstylnych zrodziły się z inspiracji twórczością artystów zajmujących się tkaninami i ich podejściem do budowania przestrzennych struktur. Połączyliśmy je ze sposobem, w jaki laboratorium Bertoldi od lat bada mechanikę materiałów. Próbowaliśmy spojrzeć na tekstylia właśnie z tej perspektywy – wyjaśniła.
Dzianina, która zapamiętuje kilka kształtów
Materiały zaprojektowane tak, aby się wyginały i zachowywały nadany im kształt, zazwyczaj powstają z polimerów – informuje portal SciTechDaily. Podczas produkcji celowo wprowadza się do ich struktury odpowiednie naprężenia.
Naukowcy wykazali jednak, że podobne, złożone i trwałe krzywizny można uzyskać wyłącznie za pomocą przędzy. Wykorzystali w tym celu technikę dziania rządkowego, czyli przemysłową metodę powszechnie stosowaną między innymi do produkcji rękawiczek i czapek.
Czytaj więcej
Naukowcy opracowali ultracienki, elastyczny materiał, który potrafi wytwarzać energię z ciepła ludzkiego ciała. To rozwiązanie może zrewolucjonizow...
Badacze wybrali bardzo elastyczne rodzaje przędzy i zastosowali technikę platerowania, która polega na umieszczaniu różnych nici po przeciwnych stronach dzianiny. W ten sposób powstały grube, zwarte materiały, które samoistnie zwijały się w trójwymiarowe formy.
Działo się to za sprawą tego samego zjawiska, które powoduje, że przecięta krawędź koszulki zaczyna się podwijać. – Dobierając odpowiednią przędzę i ustawienia maszyny, udało nam się stworzyć dzianinę, która przeskakuje między kształtami tak gwałtownie, jak to tylko możliwe – wyjaśniła Mahadevan w rozmowie z portalem SciTechDaily.
Jak przędza zmienia się w trójwymiarową strukturę
Naukowcy układali poziome i pionowe pasy dzianiny w różnych kombinacjach. W ten sposób tworzyli materiały zdolne do szybkiego przeskakiwania między kilkoma stabilnymi kształtami. Można to porównać do działania włącznika światła, który pozostaje stabilnie w pozycji włączonej albo wyłączonej. Podobnie każda dzianina zachowywała wybrany kształt do chwili, gdy odpowiednio duża siła przełączała ją w inny stan.
Czytaj więcej
Naukowcy stworzyli biodegradowalny materiał z żywego grzyba Cordyceps militaris. Tkanina potrafi się regenerować, może odpychać wodę i chronić prze...
Badając w jaki sposób rodzaj przędzy oraz układ wzorów wpływają na ten gwałtowny ruch, naukowcy określili warunki potrzebne do uzyskania multistabilności. Przygotowali również symulacje komputerowe, które dokładnie przewidywały zachowanie materiałów. Aby uprościć obliczenia, traktowali każdą dzianinę jako jednolity, ciągły materiał, zamiast analizować ruch każdego pojedynczego włókna.
Inteligentna dzianina działa jak przełącznik i czujnik
W kolejnym etapie naukowcy wpletli w dzianinę cienkie włókna przewodzące prąd. W ten sposób przekształcili zmieniające kształt struktury w elastyczne przełączniki elektryczne.
Czytaj więcej
Naukowcy stworzyli inteligentny pierścień, który analizuje pot i jednocześnie mierzy do czterech biomarkerów. Urządzenie może śledzić m.in. poziom...
Kiedy materiał przeskakiwał z jednego stabilnego kształtu do drugiego, zamykał lub otwierał obwód elektryczny. Jedna z dzianych konstrukcji włączała i wyłączała diodę LED za każdym razem, gdy zmieniała kształt. Inne urządzenie można było nosić na kolanie lub łokciu. Jego ruch rejestrowała platforma Arduino, a zebrane dane wykorzystywano do liczenia kroków.
Mahadevan i jej współpracownicy wytworzyli materiały za pomocą maszyn podobnych do standardowych przemysłowych urządzeń dziewiarskich, które już dziś są wykorzystywane w fabrykach odzieży. Zgodność z istniejącym wyposażeniem może w przyszłości ułatwić rozpoczęcie produkcji takich urządzeń na większą skalę.
Nowa technologia może trafić do inteligentnej odzieży
Badania wprowadzają tekstylia do dziedziny tak zwanych nieliniowych metamateriałów mechanicznych. Są to specjalnie projektowane struktury, które potrafią wyginać się, odkształcać i gwałtownie zmieniać kształt w użyteczny oraz możliwy do przewidzenia sposób.
Mahadevan bada obecnie, jak wykorzystać multistabilność do tworzenia miękkich i bezszwowych materiałów, które mogłyby niemal niezauważalnie monitorować ruch użytkownika, przekazywać informacje za pomocą dotyku lub w razie potrzeby zmieniać swój kształt.
