Учёные из Шотландии и Италии разработали новый тип 3D-печатного метаматериала, способного адаптироваться к силе удара. Его особая структура — решётка типа «гироид» — позволяет материалу закручиваться внутрь себя, эффективно поглощая энергию столкновения. Такой подход может значительно повысить уровень безопасности автомобилей и авиационной техники.
Как работает скручивающийся метаматериал
В основе разработки — уникальная геометрия решётки, напечатанной из стали методом аддитивного производства. Когда на материал действует внешняя сила, его структура сжимается и одновременно закручивается по спирали, рассеивая энергию удара. Учёные называют такие конструкции adaptive twisting metamaterials — адаптивными скручивающимися метаматериалами.
Профессор Шанмугам Кумар из Школы инженерии имени Джеймса Ватта (Университет Глазго) объясняет:
«При сжатии гироидная решётка превращает давление в вращение. Меняя граничные условия, можно регулировать, насколько материал будет жёстким или мягким при ударе».
Иными словами, поведение материала можно «настроить» — он способен становиться упругим и сопротивляться сильным столкновениям или, наоборот, смягчать лёгкие удары. Всё это — без сложной электроники и гидравлики: только механическое управление формой.
Почему это важно
Современные материалы, используемые в автомобильных кузовах и авиационных конструкциях, остаются статичными: они рассчитаны на конкретные сценарии столкновений и не могут приспосабливаться к изменяющимся условиям. Новый метаматериал решает эту проблему, предлагая динамическую защиту.
В лабораторных испытаниях образцы из стали FE7131 с относительной плотностью 10% показали впечатляющие результаты. Когда возможность закручивания ограничивали, материал демонстрировал максимальную жёсткость и поглощал до 15,36 джоулей энергии на грамм. Учёные проверяли три варианта конструкции при разных типах нагрузок — от резких ударов до плавного сжатия, и во всех случаях материал адаптировался к нагрузке.
Наука в основе проекта
Работа опубликована в журнале Advanced Materials и описывает целое новое семейство решёточных структур, основанных на так называемой микрополярной упругости. Их поведение моделировалось с помощью многоуровневого вычислительного подхода, сочетающего континуальную механику, метод конечных элементов и реальные эксперименты.
Для точного сравнения теории и практики исследователи использовали микро-КТ реконструкции — трёхмерные снимки внутренних структур напечатанных образцов, которые помогли оценить микроскопические дефекты, возникающие в процессе 3D-печати.
Согласно исследованию, такие конструкции могут применяться не только в автомобильной и аэрокосмической индустрии, но и в системах защиты поездов, военной техники и даже в устройствах для сбора энергии, преобразующих удар в вращательную кинетическую энергию.
Создатели уверены: скручивающиеся метаматериалы откроют путь к новым системам безопасности, которые будут не просто выдерживать удары, а активно «реагировать» на них. Одна и та же конструкция сможет выполнять разные функции — от амортизации до энергонакопления.
