Что общего между кусочками пиццы, морскими слизнями и одной из возможных конструкций будущих роботов с мягким телом? Все они имеют вычурные поверхности, и новое понимание удивительной геометрии вычурных поверхностей может помочь будущему поколению энергоэффективных и чрезвычайно гибких роботов с мягким телом двигаться.
Сложные складки вычурной поверхности, такой как коралловые рифы или листья капусты, - это поверхность, которую математики называют «изогнутой негладкой поверхностью». Он меняет направление, в котором изгибается.
«Люди смотрели на эти гиперболические поверхности в течение 200 лет, но никто не задумывался о роли гладкости в отношении того, как эти вещи движутся, их механика», - сказал математик из Аризонского университета Шанкар Венкатарамани. «До сих пор никто не видел отношения к этим вещам».
Венкатарамани представит исследование своей группы, посвященное негладким поверхностям, морским слизням и возможным применениям роботов на этой неделе на мартовском собрании Американского физического общества 2019 года в Бостоне.
До недавнего времени, по словам Венкатарамани, физики обычно предполагали, что естественные излишества возникают, когда уравновешенные силы между одновременным изгибом и растяжением листа вызывают смятие поверхности. Однако Венкатарамани в недавней работе со студентами-докторантами Джоном Геммером и Тоби Ширманом, а также физиком Еврейского университета Эраном Шароном показал, что могут быть негладкие поверхности, которые одновременно не растянуты, но при этом вычурны.
«Идея о том, что эти вычурные поверхности не растягиваются, была совершенно нелогичной», - сказал он.
И, как он отметил, исследование показало, что переход от одной формы к другой требует очень мало энергии. Это ключевой момент, поскольку способность изменять геометрию поверхностей имеет большое значение для их прочности и, следовательно, способности воздействовать на окружающую среду. Возьмите мокрый кусок пиццы, и он создаст беспорядок, но «приложите немного кривизны, и он станет жестким, и вы сможете его съесть», - сказал он.
Развив математику для описания этих поверхностей, его группа смоделировала негладкие тонкие пленки с шестью участками вверх-вниз и задалась вопросом, как они будут двигаться.
"Мы поняли, что природа уже решила эту проблему миллионы лет назад. Некоторые морские слизни и морские черви используют эту геометрию, чтобы передвигаться", - сказал Венкатарамани.
Сейчас задача, по его словам, состоит в том, чтобы точно определить, как характерная плавательная походка этих мягкотелых морских беспозвоночных, таких как испанский морской слизень-танцор, связана с их негладкой геометрией.
Ответ может предоставить «потенциальную возможность для создания мягких роботов, которые являются энергоэффективными и чрезвычайно гибкими», сказал Венкатарамани.