Инженеры из Университета Колорадо в Боулдере создали новую резиноподобную пленку, которая может самостоятельно прыгать высоко в воздух, без какой-либо посторонней помощи. Для начала прыжка требуется только небольшой нагрев. Исследователи задокументировали свое достижение в статье, недавно опубликованной в журнале Science Advances.
В этом исследовании используется необычное поведение класса материалов, называемых жидкокристаллическими эластомерами. Эти материалы представляют собой твердые и эластичные полимерные версии жидких кристаллов, используемых в ноутбуках или телевизионных дисплеях.
В ходе работы команда изготовила небольшие пластины жидкокристаллических эластомеров размером с контактную линзу, а затем поместила их на горячую пластину. Когда эти пленки нагревались, они начинали деформироваться, образуя конус, который поднимался вверх, пока внезапно и со взрывом не перевернулся наизнанку, подняв материал на высоту почти в 200 раз превышающую его собственную толщину всего за 6 миллисекунд.
По словам авторов, это свойство может быть полезно для использования полимерных материалов в таких приложениях, как мягкая робототехника, где нам часто нужен доступ к высокоскоростным и мощным движениям, с минимальными энергетическими затратами.
Инженеры уже какое-то время экспериментировали с разработкой различных видов жидкокристаллических эластомеров, чтобы увидеть, как они меняют свою форму при изменении температуры. Благодаря тщательным экспериментам и помощи сотрудников из Калифорнийского технологического института команда обнаружила, что заставляет их материал прыгать в высоту.
Каждая из этих пленок состоит из трех слоев эластомера. Эти слои сжимаются при нагревании, но два верхних слоя сжимаются быстрее, чем нижний. Это несоответствие в сочетании с ориентацией молекул жидких кристаллов внутри слоев приводит к тому, что пленка сжимается и принимает форму конуса. По мере формирования конуса в пленке накапливается напряжение до тех пор, пока не лопнет. Конус переворачивается, хлопая по поверхности и подбрасывая материал. Одна и та же пленка может прыгать несколько раз без износа.
Однако, в отличие от ранних образцов, жидкокристаллические эластомеры, созданные в рамках новых экспериментов, универсальны. Исследователи могут настроить свои пленки так, чтобы они подпрыгивали, например, когда им становится холодно, а не жарко. Они также могут задать форму таким образом, что бы образцы прыгали в определенном направлении.
Большинство роботов, вероятно, не смогут использовать такой эффект хлопков, чтобы заставить их части двигаться. Но это исследование показывает и другое важное свойство материала — хранить впечатляющее количество упругой энергии, а затем высвобождать ее за один раз.
