Исследователи Массачусетского технологического института разработали систему для создания материалов, повторяющих свойства природных объектов. В качестве примера ученые использовали сосновую шишку, чешуйки которой раскрываются при низкой влажности и закрываются в сырости. Такой принцип может пригодиться, например, при разработке кровельных покрытий, реагирующих на влагу и обеспечивающих пассивное охлаждение.
Новая методика описывает взаимосвязи между элементами природной структуры на разных уровнях — от микроскопических волокон до тканей и всего объекта. Затем эти механизмы переводятся в инженерную модель, которую можно проверить математически и изготовить на 3D-принтере. Результаты работы опубликованы в Journal of the Mechanics and Physics of Solids.
Авторы пояснили, что изменение влажности воздействует на целлюлозные волокна внутри шишки, после чего меняются более крупные слои ее структуры. Последовательность этих процессов приводит к движению чешуек. Разработанная система позволяет представить каждый уровень такой природной иерархии как отдельный проверяемый блок.
Для построения модели специалисты применили инструменты теории категорий — математического подхода, который помогает собирать сложные системы из более простых компонентов. Методика сопоставляет элементы природного объекта с искусственными аналогами и сохраняет связь между внешним воздействием и реакцией материала. В итоге формируется набор параметров и программный код для изготовления конструкции на 3D-принтере.
В ходе эксперимента инженеры объединили принципы изгиба сосновой шишки под воздействием влажности и скручивания ости пшеницы. На этой основе они создали привод, который скручивается при изменении температуры. Испытания показали, что устройство работает в соответствии с расчетами.
В дальнейшем разработку планируют применять для создания адаптивных материалов, в том числе для робототехники, медицинских устройств и носимой техники. По мнению исследователей, подход позволит повторно использовать уже проверенные элементы и сократить время на проектирование. Также ученые намерены включить в процесс модели искусственного интеллекта для ускорения поиска новых материалов.
