Ткань, напечатанная на 3D-принтере, может затвердеть по мере необходимости

Новый материал был разработан исследователями из Технологического университета Наньян (NTU) в Сингапуре и Калифорнийского технологического института (Caltech). Он легкий, напечатан на 3D-принтере из нейлоновых пластиковых полимеров и состоит из полых октаэдров, в форме колец, овалов, квадратов, кубов, пирамид и других форм, которые сцепляются друг с другом как единое целое, чтобы сформировать ткань в стиле кольчуги низкой плотности с высокой прочностью на растяжение. Чтобы достичь идеального баланса между весом и гибкостью ткани, ученые смоделировали количество средних точек контакта на частицу и исследовали, насколько каждая структура изгибается в ответ на приложенное напряжение. Чтобы контролировать жесткость ткани, они заключили ее в гибкий пластиковый конверт и уплотнили с помощью вакуума. Это давление увеличивало плотность упаковки ткани, заставляя каждую частицу больше контактировать со своим соседом, и в результате получилась структура, которая в 25 раз более жесткая, чем ее «мягкая» версия. Физический принцип, лежащий в основе, аналогичен застыванию в вакуумных пакетах с рисом или бобами.

Ткань, напечатанная на 3D-принтере, способна выдержать нагрузку 1,5 кг, что более чем в пятьдесят раз превышает ее собственный вес. Чтобы проверить жесткость и прочность материала, ученые сбросили стальной шар весом 30 г на кольчугу со скоростью три метра в секунду. Когда ткань была жесткой, удар деформировал ткань всего на 3 мм, уменьшая глубину проникновения в шесть раз по сравнению с 26 мм деформацией, наблюдаемой при расслаблении ткани.

Продемонстрировав свою концепцию с октаэдрами из пластика и полимера, ученые также стремятся воспроизвести пригодную для носки структурированную ткань с использованием различных металлов. Для этого команда уже напечатала кольчугу на 3D-принтере из алюминия и успешно продемонстрировала, что, сохраняя ту же гибкость и мягкость, что и нейлон, ее можно втиснуть в более жесткие конструкции. В дальнейшем ученые будут стремиться улучшить характеристики своей ткани кольчуги и исследовать дальнейшие способы ее придания жесткости, например, с помощью магнетизма, электричества или температуры.

В заявлении об исследовании говорится, что разработка может проложить путь для интеллектуальных тканей следующего поколения, которые могут упрочняться, чтобы защитить пользователя от ударов или когда требуется дополнительная несущая способность. Возможные области применения включают пуленепробиваемые или ударопрочные жилеты. «Благодаря специальной ткани, которая является легкой и настраиваемой - легко меняющейся от мягкой к жесткой - мы можем использовать ее для удовлетворения потребностей пациентов и стареющего населения, например, для создания экзоскелетов, которые могут помочь им стоять, переносить грузы и помогать им с их повседневными задачами », - сказал Ван Ифань, который начал исследование, когда работал в Калифорнийском технологическом институте. «Вдохновленные древними кольчужными доспехами, мы использовали пластиковые полые частицы, которые сцеплены друг с другом, чтобы повысить жесткость нашей настраиваемой ткани. Чтобы еще больше повысить жесткость и прочность материала, мы сейчас работаем над тканями, сделанными из различных металлов, включая алюминий, которые могут быть использованы для более крупных промышленных применений, требующих более высокую грузоподъемность, таких как мосты или здания».