Чтобы развернуть эти сложные конструкции, достаточно одного потянуть за веревку.

Исследователи Массачусетского технологического института разработали новый метод проектирования трехмерных структур, которые можно преобразовать из плоской конфигурации в изогнутую, полностью сформированную форму всего лишь одним натяжением веревки.

Этот метод может позволить быстро развернуть временный полевой госпиталь на месте катастрофы, такой как разрушительное цунами, — ситуации, когда быстрые медицинские меры необходимы для спасения жизней.

Подход исследователей преобразует заданную пользователем трехмерную структуру в плоскую форму, состоящую из взаимосвязанных плиток. Алгоритм использует двухэтапный метод для поиска пути с минимальным трением для струны, которую можно натянуть, чтобы плавно привести в действие конструкцию.

Работа опубликовано в журнале Транзакции ACM с графикой.

Механизм срабатывания легко обратим, и если отпустить струну, конструкция быстро возвращается в плоскую конфигурацию. Это позволит более эффективно и с меньшими затратами хранить и транспортировать сложные трехмерные конструкции.

Кроме того, проекты, создаваемые их системой, не зависят от метода изготовления, поэтому целые конструкции могут быть изготовлены с использованием 3D-печати, фрезерования с ЧПУ, литья или других методов.

Этот метод может позволить создать мобильные медицинские устройства, складных роботов, которые могут сплющиваться для проникновения в труднодоступные места, или даже модульные космические жилища, которые могут приводиться в действие роботами, работающими на поверхности Марса.

«Простота всего приводного механизма является реальным преимуществом нашего подхода. Пользователю просто нужно предоставить предполагаемую конструкцию, а затем наш метод оптимизирует ее таким образом, что она сохраняет форму после всего лишь одного натяжения веревки, поэтому конструкцию можно очень легко развернуть. Я надеюсь, что люди смогут использовать этот метод для создания широкого спектра различных развертываемых структур», — говорит Акиб Заман, аспирант электротехники и информатики (EECS) и ведущий автор статьи.

Над статьей к нему присоединяется аспирантка Массачусетского технологического института Жаклин Асларус; постдок Цзяцзи Ли; доцент Стефани Мюллер, руководитель инженерной группы взаимодействия человека и компьютера (HCI) Лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта (CSAIL); и старший автор Мина Конакович Лукович, доцент и руководитель группы алгоритмического проектирования в CSAIL.

Исследование было представлено на конференции и выставке SIGGRAPH Ассоциации вычислительной техники, посвященной компьютерной графике и интерактивным технологиям в Азии.

От древнего искусства к алгоритму

Создание раздвижных конструкций из плоских деталей упрощает сборку на месте и может быть особенно полезно при строительстве убежищ после стихийных бедствий. В меньших масштабах такие предметы, как складные велосипедные шлемы, могут повысить безопасность гонщиков, которые в противном случае не смогли бы носить громоздкий шлем.

Но преобразование плоских, развертываемых объектов в их трехмерную форму часто требует специального оборудования или нескольких шагов, а исполнительный механизм обычно трудно повернуть вспять.

«Из-за этих проблем развертываемые конструкции, как правило, проектируются вручную и довольно просты с геометрической точки зрения. Но если мы сможем создавать более сложную геометрию, упрощая при этом механизм срабатывания, мы сможем расширить возможности этих развертываемых объектов», — говорит Заман.

Для этого исследователи создали метод, который автоматически преобразует 3D-дизайн пользователя в плоскую структуру, состоящую из плиток, соединенных вращающимися шарнирами по углам, которые можно полностью привести в действие, потянув один раз за одну веревку.

Их метод разбивает пользовательский дизайн на сетку четырехугольных плиток, вдохновленную киригами, древним японским искусством вырезания из бумаги. С помощью киригами, разрезая материал определенным образом, можно придать ему уникальные свойства.

В этом случае они используют киригами для создания ауксетического механизма, который представляет собой структуру, которая становится толще при растяжении и тоньше при сжатии.

После кодирования 3D-геометрии в плоский набор ауксетических плиток алгоритм вычисляет минимальное количество точек, которые должна поднять натяжная струна для полного раскрытия 3D-структуры. Затем он находит кратчайший путь, соединяющий эти точки подъема, включая все области границы объекта, которые необходимо соединить, чтобы привести конструкцию в трехмерную конфигурацию. Он выполняет эти расчеты таким образом, что оптимальная траектория струны сводит к минимуму трение, позволяя плавно приводить в действие конструкцию всего одним рывком.

«Наш метод упрощает работу пользователя. Все, что ему нужно сделать, это ввести свой дизайн, а наш алгоритм автоматически позаботится обо всем остальном. Затем все, что нужно сделать пользователю, — это изготовить плитки точно так, как это было рассчитано алгоритмом», — говорит Заман.

Например, можно изготовить конструкцию с помощью 3D-принтера, работающего с несколькими материалами, который печатает петли плитки гибким материалом, а другие поверхности — твердым материалом.

Независимый от масштаба метод

Одной из самых больших проблем, с которыми столкнулись исследователи, было выяснение того, как можно эффективно смоделировать маршрут струны и трение внутри струнного канала, максимально приближенные к физической реальности.

«Играя с несколькими сфабрикованными моделями, мы заметили, что закрытие граничных плиток является обязательным условием успешного развертывания, и через них необходимо провести веревку. Позже мы доказали это наблюдение математически. Затем мы вернулись к старому физическому уравнению и использовали его, чтобы сформулировать задачу оптимизации для минимизации трения», — говорит он.

Они встроили свой автоматический алгоритм в интерактивный пользовательский интерфейс, который позволяет проектировать и оптимизировать конфигурации для создания производственных объектов.

Исследователи использовали свой метод для создания нескольких объектов разных размеров: от персонализированных медицинских изделий, включая шину и корректор осанки, до портативной конструкции, напоминающей иглу. Используя свой метод, они также изготовили раздвижной стул человеческого масштаба.

Этот метод не зависит от масштаба, поэтому его можно использовать для создания крошечных развертываемых объектов, которые вводятся и приводятся в действие внутри тела, или архитектурных конструкций, таких как каркас здания, которые развертываются и приводятся в действие на месте с помощью кранов.

В будущем исследователи хотят продолжить изучение дизайна крошечных конструкций, а также решить инженерные задачи, связанные с созданием архитектурных сооружений, такие как определение идеальной толщины кабеля и необходимой прочности петель. Кроме того, они хотят создать механизм саморазвертывания, чтобы конструкции не приходилось приводить в действие человеком или роботом.

Эта история переиздана с любезного разрешения MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), популярный сайт, освещающий новости об исследованиях, инновациях и преподавании MIT.