فانوسی که مانند یک موجود زنده حرکت می‌کند!

گروهی از مهندسان دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی یک «فانوس چینی» پلیمری طراحی کرده‌اند که می‌تواند با فشرده‌سازی یا پیچاندن خود، به سرعت به چندین شکل سه‌بُعدی پایدار از جمله فانوس، فرفره و موارد دیگر تبدیل شود. آنها با افزودن یک لایه مغناطیسی، به کنترل از راه دور فرآیند تغییر شکل دست یافتند.

به گزارش ایسنا، فانوس پایه با برش یک ورق پلیمری به شکل متوازی الاضلاع الماس مانند و سپس برش یک ردیف از خطوط موازی در مرکز هر ورق ساخته می‌شود. این کار یک ردیف از روبان‌های یکسان ایجاد می‌کند که توسط یک نوار جامد از جنس ماده در بالا و پایین ورق به هم متصل می‌شوند. با اتصال انتهای چپ و راست نوارهای جامد در بالا و پایین، ورق پلیمری یک شکل سه‌بعدی شبیه به یک فانوس چینی تقریبا کروی تشکیل می‌دهد. این تبدیل را می‌توان برای طیف گسترده‌ای از کاربردهای عملی مورد استفاده قرار داد.

به نقل از ساینس‌دیلی، برای ساخت فانوس، محققان با یک ورق پلیمری نازک که به شکل متوازی‌الاضلاع لوزی شکل برش داده شده بود، شروع کردند. سپس مجموعه‌ای از خطوط با فاصله مساوی را از مرکز ورق برش دادند و نوارهای موازی را تشکیل دادند که توسط نوارهای جامد از مواد در بالا و پایین به هم متصل شده‌اند. وقتی انتهای این نوارهای بالا و پایین به هم متصل می‌شوند، ورق به طور طبیعی به شکل گرد و فانوس مانند تا می‌شود.

جی یین، نویسنده‌ مسئول مقاله‌ای در مورد این کار و استاد مهندسی مکانیک و هوافضا در دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی، می‌گوید: این شکل پایه، به خودی خود، دو شکل پایدار دارد. البته در شکل فانوسی خود پایدار است. اما اگر این سازه را از بالا به پایین فشار دهید، به آرامی شروع به تغییر شکل می‌کند تا به یک نقطه بحرانی برسد، که در آن نقطه به شکل پایدار دومی که شبیه فرفره است، تبدیل می‌شود. در شکل فرفره، سازه تمام انرژی مورد استفاده برای فشرده‌سازی آن را ذخیره کرده است. بنابراین، هنگامی که شروع به بالا کشیدن سازه می‌کنید، به نقطه‌ای می‌رسید که تمام آن انرژی به یکباره آزاد می‌شود و باعث می‌شود که خیلی سریع به شکل فانوسی خود بازگردد.

یائوی هونگ، نویسنده‌ اول مقاله و دانشجوی سابق دکترای دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی که اکنون محقق فوق دکترا در دانشگاه پنسیلوانیا است، می‌گوید: ما دریافتیم که می‌توانیم با اعمال پیچ و تاب به شکل، با تا کردن نوارهای جامد در بالا یا پایین فانوس به داخل یا خارج، یا هر ترکیبی از این موارد، اشکال اضافی زیادی ایجاد کنیم. هر یک از این تغییرات نیز چند حالت پایدار دارند. برخی می‌توانند بین دو حالت پایدار به عقب و جلو حرکت کنند. یکی از آنها چهار حالت پایدار دارد، بسته به اینکه آیا شما ساختار را فشرده می‌کنید، ساختار را می‌پیچانید، یا همزمان ساختار را فشرده و می‌پیچانید.

محققان همچنین با اتصال یک فیلم مغناطیسی نازک به نوار پایینی، به فانوس‌ها کنترل مغناطیسی دادند. این به آنها اجازه داد تا از راه دور با استفاده از یک میدان مغناطیسی، سازه‌ها را بچرخانند یا فشرده کنند.

برای درک بهتر و پیش‌بینی رفتار فانوس، این گروه همچنین یک مدل ریاضی ایجاد کردند که نشان می‌دهد چگونه هندسه هر زاویه بر شکل نهایی و میزان انرژی الاستیک ذخیره شده در هر پیکربندی پایدار تاثیر می‌گذارد.

هونگ می‌گوید: این مدل به ما اجازه می‌دهد تا شکلی را که می‌خواهیم ایجاد کنیم، میزان پایداری آن و میزان قدرت آن را در زمانی که انرژی پتانسیل ذخیره شده به انرژی جنبشی تبدیل می‌شود، برنامه‌ریزی کنیم. و همه این موارد برای ایجاد اشکالی که می‌توانند کاربردهای مورد نظر را انجام دهند، حیاتی هستند.

یین می‌گوید: در آینده، این واحدهای فانوس می‌توانند در معماری‌های دوبعدی و سه‌بعدی برای کاربردهای گسترده در متامواد مکانیکی تغییر شکل‌دهنده و رباتیک مونتاژ شوند. ما در حال بررسی این موضوع خواهیم بود.

*