Прорив MIT: 3D ткані метаматеріали отримали відкритий інструмент проєктування, друку й симуляції

Коли традиційні тканини диктує верстат, інженерні метаматеріали диктує їхня мікрогеометрія. Тепер у MIT з’явився інструмент, що дозволяє «тчати» матеріали з нуля – і одразу перевіряти, як вони працюватимуть у реальному світі. Це відкриває двері для м’якої робототехніки, медичних пристроїв і адаптивного текстилю.

Чому це стало можливим: коротка історія питання

Раніше метаматеріали здебільшого створювалися з фокусом на малу масу, жорсткість і міцність. Їхні властивості визначалися внутрішньою мікроструктурою, а не хімією, що вже змінювало підхід до інженерії. Водночас сфери на кшталт носимих сенсорів, біомедицини та гнучкої електроніки потребували матеріалів із керованою податливістю та деформаційністю. Класичне ткацтво й в’язання роками обмежувалися апаратними можливостями, що стримувало експерименти зі складними візерунками і локально різними властивостями. Ручне проєктування тривимірних решіток було повільним і обмежувало кількість перевірених конфігурацій. На цьому фоні виникла ідея обчислювальної рамки проєктування, яка автоматизує створення складних 3D структур і дозволяє одразу перевіряти їхню поведінку у симуляції.

Що саме зробили в MIT: подія і її деталі

Дослідники кафедри машинобудування MIT представили універсальну систему для створення 3D тканих метаматеріалів, опубліковану 26 січня у журналі Nature Communications. Команда під керівництвом Карлоса Портели запропонувала алгоритм, який описує майбутній матеріал як граф: від цієї схеми залежить розташування та зв’язки кожного волокна. Базові модулі – це ткані комірки, що налаштовуються через геометричні параметри, включно з радіусом і кроком (pitch) волокон. Інструмент формує дизайн під задані властивості та створює файл для 3D-друку або чисельного моделювання, а також супроводжується відкритим кодом для користувачів.

«Звичайне в’язання чи ткацтво десятиліттями обмежувало апаратне забезпечення – існує лише кілька візерунків для одягу, – але це змінюється, якщо апаратні межі зникають. З цією рамкою можна вигадувати візерунки, що кардинально змінюють поведінку текстилю», – зазначає Карлос Портела.

Як відреагували дослідники та інженерна спільнота

Автори наголошують, що новий підхід дозволяє створювати матеріали, які у різних зонах можуть бути м’якшими або жорсткішими, а під час розтягнення – змінювати форму. Це забезпечується моделюванням самоконтакту та сплутування волокон і прогнозуванням локальних сценаріїв деформації та руйнування. Лідерка роботи Моллі Картон звертає увагу на те, що раніше подібні решітки проєктували вручну, тоді як новий інструмент відкриває довільну свободу дизайну й контроль над поведінкою структури під навантаженням.

«Оскільки ця рамка дозволяє налаштовувати матеріали так, щоб вони були м’якшими в одному місці і жорсткішими в іншому або змінювали форму під час розтягування, вони демонструють спектр поведінок, які складно реалізувати зі звичайними м’якими матеріалами», – підкреслює Моллі Картон.

Що змінилося вже зараз: перші наслідки

Публікація відкрила доступ до практичного інструмента, що поєднує дизайн, друк і симуляцію в одному циклі. Дослідження виконували, зокрема, із використанням можливостей MIT.nano, що підтверджує готовність підходу до мікромасштабних експериментів і подальших застосувань.

• Доступний відкритий код, який генерує дизайн під задані характеристики та створює файли для 3D-друку або моделювання.
• Алгоритм масштабується до складних решіток і передбачає деформацію, самоконтакт і сплутування, дозволяючи проєктувати та керувати сценаріями руйнування.
• Запропоновано нові будівельні блоки й параметри керування (зокрема радіус і крок волокон), що суттєво розширюють властивості тканих метаматеріалів.

Що чекає попереду: перспективи і застосування

У перспективі інструмент здатен прискорити появу функціонального текстилю для аерокосмічних і оборонних задач, гнучких електронних пристроїв та носимих сенсорів, що рухаються разом зі шкірою. Команда сподівається, що публічний софт стимулює міждисциплінарні дослідження та нові сценарії використання 3D тканих структур. Подальші роботи можуть зосередитися на масштабуванні виробництва та інтеграції таких решіток у реальні пристрої, де важливі кероване розтягнення, ударна міцність і передбачувані механізми відмови.

До авторів із MIT також увійшли Джеймс Утама Сурджаді, Бастьєн F. G. Еймон та Лінг Сюй; результати доступні у Nature Communications, а частину експериментів виконано у MIT.nano.