Исследователи из университетов Шотландии и Италии разработали напечатанный на 3D-принтере скручивающийся метаматериал, который, по их мнению, может улучшить защиту транспортных средств при столкновениях. Метаматериал был разработан для смягчения последствий ударов, при этом уникальная решетчатая форма закручивается «наподобие штопора» для эффективной защиты от ударов различных типов и степеней тяжести. 

Исследователи из Университета Глазго ,  Политехнического университета Марке , Университета Л’Акуилы и Национального института ядерной физики Италии получили возможность точно контролировать структуру материала,  изготовленного из стали и обработанного методом аддитивного производства . По словам исследователей, это позволяет создавать сложную и высокопористую гироидную решетку.

Это означает, что, в отличие от обычных пенопластов или зон смятия, которые обеспечивают заданную стойкость к ударам, реакцию материала на удар можно механически контролировать, изменяя его энергопоглощение. Таким образом, реакцию на удар можно точно настроить, чтобы обеспечить более жёсткое сопротивление сильным столкновениям или более мягкую амортизацию при более лёгких ударах. 

Группа исследователей протестировала три варианта материала, чтобы оценить их реакцию на быстрые удары и более медленные, постепенно возрастающие деформации. Когда метаматериал был ограничен в скручивании при ударах, он обеспечивал максимальную жёсткость и поглощал больше всего энергии — 15,36 джоуля энергии на грамм материала. Когда же материалу позволяли свободно скручиваться, его жёсткость и поглощение энергии снижались примерно на 10 процентов. В третьей конфигурации материал был вынужден чрезмерно скручиваться, что снижало поглощение энергии на 33 процента. 

Результаты показывают, что материал способен обеспечить широкий спектр защиты – от жёсткого экранирования до более мягкого поглощения энергии. Они подкреплены комплексной теоретической и вычислительной моделью, которая позволяет точно предсказать сложное поведение скручивающихся гироидных решёток при различных скоростях деформации. Для точного численно-экспериментального совмещения геометрические дефекты, внесённые в процессе аддитивного производства, количественно оценивались путём интеграции микрокомпьютерных реконструкций напечатанных решёток.

Профессор Шанмугам Кумар из Инженерной школы имени Джеймса Уотта Университета Глазго руководил исследованием. Он сказал: «Защитные материалы, используемые сегодня в большинстве транспортных средств, статичны, разработаны для определенных сценариев удара и не могут адаптироваться к изменяющимся условиям. Это исследование представляет адаптивные скручивающиеся метаматериалы как новый класс метаматериалов, которым не требуется сложная электроника или гидравлика для адаптации. Вместо этого они могут адаптироваться просто посредством механического управления вращением. Когда мы применяем сжатие, решетка гироида преобразует его в скручивание, и, изменяя граничные условия, мы можем настраивать характеристики поглощения энергии. Эти материалы могут адаптироваться и изменять свои собственные характеристики в зависимости от типа и силы удара, чтобы смягчить последствия.

Мы считаем, что этот материал может найти применение в будущем как в автомобильной, так и в аэрокосмической безопасности, представляя собой единый новый класс материалов, способных адаптироваться к различным потребностям. Он также может способствовать разработке новых форм сбора энергии, преобразуя удары во вращательную кинетическую энергию.

Разработанные этой группой «адаптивные скручивающиеся метаматериалы», описанные в статье, опубликованной в журнале Advanced Materials, представляют собой новый подход к материалам для защиты от ударов, используемым в настоящее время. Исследователи из Политехнического университета Марке, Университета Л’Акуилы и Национального института ядерной физики Италии внесли свой вклад в исследование и выступили соавторами статьи. Статья группы под названием «Адаптивные скручивающиеся метаматериалы» опубликована в журнале Advanced Materials.

Источник