Трансформеры: продолжение. Оригами-колесо из композитов
Созданное колесо может трансформироваться в различные формы – быть большим с выступающими гранями-почвозацепами или маленьким и гладким. При этом его диаметр изменяется от 0,8 до 0,46 м.
Ученые из отдела исследований и разработок Hankook совместно с экспертами по биороботехнике из Сеульского национального университета и инженерами Гарварда создали трансформируемое колесо в форме оригами, которое может изменять диаметр и площадь опорной поверхности.
Оригами из композитных мембран является эффективным и действенным методом создания трансформируемых механизмов, значительно упрощая их конструкцию, изготовление и сборку. Однако, низкая несущая способность таких устройств обычно ограничивает возможности их применения. Что касается конструкции колеса, мембранное оригами предлагает уникальные преимущества по сравнению со своими традиционными аналогами. Это прежде всего простота изготовления, высокое соотношение полезной нагрузки к собственному весу, а также возможность значительного изменения формы. Такое техническое решение обеспечивает мягкость и гибкость кинематического механизма, а также хорошо поглощает удары при движении.
Без воздействия управляющего усилия колеса складываются до минимального диаметра, но при сжатии их вдоль оси, — увеличиваются до максимального. При этом внутренние стопорные пластины добавляют конструкции дополнительную жесткость. Команда исследователей оснастила как лабораторную демонстрационную платформу, так и Jeep Wrangler набором этих колес, а также прижимными пластинами, которые выталкиваются наружу на внутренние стенки ступицы, чтобы по желанию изменять диаметр колес.
В видеодемонстрациях видно, как можно использовать колеса, чтобы транспортное средство могло двигаться медленно, располагаясь низко над землей и ныряя под препятствия, либо высоко, чтобы двигаться быстрее и более плавно.
Созданное трансформируемое колесо на основе мембранного оригами, способное выдержать нагрузку более 10 килоньютон. Для достижения высокой полезной нагрузки была применена толстая мембрана в качестве основного элемента и использовано правило каркасного проектирования для толстых мембран.
Разработчиками проведен значительный объём теоретических и экспериментальных исследований по поиску оптимальных параметров деталей колеса. Таким образом, при проектировании удалось согласовать толщину мембраны с учетом как геометрических, так и физических характеристик, применительно к базовым узорам оригами для получения желаемых форм колес при трансформации. Возможности разработанного колеса применимы к легковому автомобилю и подтверждены полевыми испытаниями. В целом, внедрение гибких граней позволило достичь определенной степени свободы, позволяющей переключаться между различными размерами колеса и его формой.
В целом, идеи оригами всегда были богатым источником вдохновения для искусства, образования и математики, и она доказала свою эффективность и эффективный метод для реализации трансформируемых структур в природе и технических системах. Оригами из композитных мембран, метод проектирования, основанный на ламинарном составе гибких мембран с жесткими граничными ограничениями, открывает новое поле для робототехники за счет перехода от сборки компонентов к ламинированию, что значительно упрощает проектирование, изготовление и сборку. Этот переход упрощает и ускоряет производство и позволяет достичь размеров, которые ранее были труднодоосуществимы.
Помимо вышеупомянутых преимуществ, оригами является эффективным инструментом проектирования для создания конструкции с высокой удельной нагрузкой, такой как сотовая панель, за счет значительного увеличения прочности на изгиб с использованием уникальных геометрических конфигураций. Комбинируя эту функцию с реконфигурируемостью, могут быть введены различные механизмы жесткости переходов, которые являются важным фактором обеспечения высокой грузоподъемности колеса.
Исследователи отмечают, что у разработанной гибкой конструкции колеса есть некоторые недостатки, связанные прежде всего с многогранной опорной поверхностью, которая выглядит неровной и ухабистой по сравнению с обычной шиной. Но команда заявляет, что и не ожидает, что эти конструкции в их нынешнем виде будут коммерчески конкурентоспособными, но совершенствованию нет предела.
С другой стороны, такая трансформируемая возможность может пригодиться в определенных экстремальных условиях бездорожья, возможно в внеземных условиях, например, на вездеходах для исследования других планет. По крайней мере, идея конечно, интересная.