MIT возродил патент 1985 года и создал трёхстороннюю молнию Y-zipper
В 1985 году фонд Innovative Design Fund дал объявление в журнале Scientific American: до 10 000 долларов за удачные прототипы для одежды, предметов интерьера и текстиля. Уильям Фримен, тогда инженер-электрик компании Polaroid, а ныне профессор MIT, увидел объявление и предложил идею трёхсторонней молнии, своего рода переключателя, который позволял бы стульям, палаткам и сумкам плавно переходить между мягким и жёстким состоянием, упрощая их упаковку и сборку. Чертёж Фримена повторял обычную молнию, только треугольную в сечении: с каждой из трёх сторон он прибил к ремню узкие деревянные «зубцы», а бегунок стягивал полосы вместе в жёсткую треугольную трубку. Заявку на грант отклонили, но Фримен запатентовал прототип и на десятилетия убрал его в гараж.
Почти 40 лет спустя за идею взялась лаборатория MIT CSAIL, команда хотела создать объекты с «настраиваемой жёсткостью». Прежние способы такой настройки было трудно обратить назад или требовалась ручная сборка, поэтому исследователи под руководством постдока Цзяцзи Ли и доцента Стефани Мюллер разработали программу автоматического проектирования и сам крепёж, «Y-zipper». Программа сама печатает готовое изделие на 3D-принтере из пластика.
В софте пользователь задаёт длину каждой из трёх полос молнии, а также направление и угол их изгиба. Дополнительно можно выбрать одну из четырёх «форм-примитивов» готового изделия в застёгнутом виде: прямая, дугой (как арка), спиралью (как пружина) или скрученная (похоже на винт). В расстёгнутом виде Y-zipper напоминает кальмара с тремя расходящимися щупальцами, а в застёгнутом собирается в компактную структуру, например, в подобие стержня.
Команда опробовала крепёж на нескольких сценариях. При установке палатки Y-zipper сокращает время сборки каркаса с шести минут в одиночку до одной минуты двадцати секунд: достаточно закрепить каждый «рукав» на стороне палатки и застегнуть молнию сверху. В медицинском применении крепёж обернули вокруг гипсовой повязки на запястье, пациент может ослаблять её днём и затягивать на ночь для дополнительной защиты. К слайдеру можно подключить мотор и автоматизировать застёгивание: так сделали ногу робота-квадропеда, способную менять длину конечностей для передвижения по неровной местности, и кинетическую арт-инсталляцию, длинный извивающийся «цветок», который «расцветает» за счёт мотора.
Прочность проверяли экспериментально. Сначала сравнили два популярных для 3D-печати пластика: полилактид (PLA) выдерживает более тяжёлые нагрузки, термопластичный полиуретан (TPU) более эластичен. Затем крепёж подключили к актуатору, который непрерывно застёгивал и расстёгивал его: конструкция выдержала около 18 000 циклов, прежде чем сломалась. По данным 3D-моделирования, секрет прочности, в эластичной структуре, которая равномерно распределяет нагрузку.
В дальнейшем команда планирует протестировать более прочные материалы, например металл, и увеличить масштаб изделий, с текущим 3D-принтером это пока невозможно. Среди неисследованных применений Ли называет космос (щупальца Y-zipper теоретически могли бы захватывать образцы пород для космического аппарата) и оперативную сборку укрытий и медицинских палаток спасателями при катастрофах.
Статью о проекте написали Цзяцзи Ли и Уильям Фримен вместе с аспирантом Тяньцзиньского университета Сян Чаном и коллегами по CSAIL: аспиранткой Максин Перрони-Шарф, студентом Диннин Цао, приглашёнными исследователями Миньмин Ли (Чжэцзянский университет), Джереми Мжигловски (Мюнхенский технический университет) и Такуми Ямамото (Университет Кэйо), а также доцентом MIT Стефани Мюллер, руководителем исследовательской группы CSAIL и старшим автором работы. Работу представили на конференции ACM CHI по человеко-компьютерному взаимодействию в апреле.
Ключевые факты
- В 1985 году Уильям Фримен, тогда инженер Polaroid, придумал трёхстороннюю молнию для объявления Innovative Design Fund в Scientific American с призом до 10 000 долларов; идею отклонили, но он запатентовал прототип и хранил его в гараже.
- Спустя почти 40 лет команда MIT CSAIL во главе с постдоком Цзяцзи Ли и доцентом Стефани Мюллер возродила идею, создав программу автоматического проектирования и 3D-печати «Y-zipper», настраиваемого трёхстороннего крепежа.
- В программе задаются длина полос, угол изгиба и одна из четырёх форм после застёгивания (прямая, дугой, спиралью, скрученная); напечатанный из пластика PLA или TPU крепёж выдержал 18 000 циклов застёгивания на тестовом стенде.
- Устройство опробовали на каркасе палатки (сборка сократилась с 6 минут до 1 минуты 20 секунд), на гипсовой повязке для запястья и в моторизованных конструкциях, ноге робота-квадропеда и «расцветающей» кинетической инсталляции.
- Работу представили на конференции ACM CHI в апреле; дальше команда хочет испытать более прочные материалы вроде металла, увеличить масштаб изделий и изучить применения в космосе и при ликвидации последствий катастроф.
Почему это важно
История показывает, как забытая 40 лет назад механическая идея получает вторую жизнь благодаря современным инструментам: доступной 3D-печати и программе для параметрического проектирования. Y-zipper решает задачу, с которой не справлялись прежние подходы к «настраиваемой жёсткости», обратимое и быстрое переключение предмета между гибким и жёстким состоянием без ручной сборки.
Кому это важно
Разработчикам туристического снаряжения и конструкций для быстрой сборки; создателям медицинских носимых устройств вроде шин и повязок; робототехникам, которым нужны механизмы с изменяемой геометрией; художникам и авторам кинетических инсталляций; исследователям в области цифрового производства и проектирования умных материалов.
Как это применить
Программа CSAIL позволяет задать длину каждой из трёх полос молнии, направление и угол изгиба, а также выбрать одну из четырёх форм после застёгивания, прямую, дугой, спиралью или скрученную, после чего сама печатает готовый крепёж на 3D-принтере из PLA (жёстче) или TPU (эластичнее). Готовый Y-zipper крепится к изделию или встраивается в него; для автоматизации застёгивания к слайдеру подключают мотор, так поступили с ногой робота-квадропеда и кинетической скульптурой-цветком.
Можно ли доверять
Материал опубликован пресс-службой MIT News по итогам работы, представленной на рецензируемой конференции ACM CHI по человеко-компьютерному взаимодействию. Прочность крепежа проверяли экспериментально: конструкция выдержала около 18 000 циклов застёгивания на актуаторе, прежде чем сломаться. Независимую оценку в материале даёт доцент Чжэцзянского университета Гуанюнь Ван, не участвовавший в проекте: он назвал подход «блестящим» и масштабируемым решением для перехода между мягкими и жёсткими состояниями.
Риски и подводные камни
Масштаб изделий пока ограничен возможностями конкретного 3D-принтера команды, увеличить размер сразу нельзя; более прочные материалы вроде металла, отдельное, ещё не проверенное направление. Пластиковый крепёж всё же изнашивается: предел в экспериментах, 18 000 циклов, для медицинского или промышленного использования может потребоваться больше. Заявленные перспективные сценарии, сбор образцов в космосе, быстрая установка укрытий при катастрофах, пока остаются предположением авторов и не проверены на практике.
«Обычная молния хорошо подходит, чтобы застёгивать плоские вещи вроде куртки, но Фримен придумал нечто более динамичное. С современными технологиями изготовления его механизм способен трансформировать куда более сложные предметы. Мы разработали процесс создания объектов, которые можно быстро переключать между гибким и жёстким состоянием, и быть уверенными, что они будут работать в реальных условиях.»
— Цзяцзи Ли, постдок MIT CSAIL, ведущий автор работы