طور الباحثون هيكل بوليمر مستوحى من “الفانوس الصيني” الكلاسيكي الذي يمكن أن يتحول إلى أكثر من اثني عشر شكلاً منحنيًا وثلاثي الأبعاد عند ضغطه أو لفه. يمكن أيضًا تشغيل هذه التحولات السريعة للأشكال عن بعد باستخدام مجال مغناطيسي، مما يجعل التصميم مناسبًا للعديد من الاستخدامات المحتملة.

كيف يتم بناء هيكل الفانوس

ولإنشاء الفانوس، بدأ الفريق بطبقة رقيقة من البوليمر مقطوعة على شكل متوازي أضلاع يشبه الماس. ثم أضافوا صفًا من القطع المتباعدة بشكل متساوٍ عبر منتصف الورقة، مما أدى إلى إنتاج شرائط متوازية تم ربطها معًا في الأعلى والأسفل بواسطة شرائح صلبة من المواد. عندما يتم ربط طرفي هذه الشرائط العلوية والسفلية، تنحني الورقة إلى الخارج وتأخذ شكلًا مستديرًا يشبه الفانوس.

تصميم ثنائي الاستقرار مع الطاقة المخزنة

يقول جي يين، مؤلف العمل وأستاذ الهندسة الميكانيكية وهندسة الفضاء الجوي في جامعة كاليفورنيا: “هذا الشكل الأساسي في حد ذاته ثنائي الاستقرار”. جامعة ولاية كارولينا الشمالية. “بعبارة أخرى، له شكلان مستقران. إنه مستقر في شكله الفانوسي، بالطبع. ولكن إذا قمت بضغط الهيكل، ودفعه لأسفل من الأعلى، فسوف يبدأ في التشوه ببطء حتى يصل إلى نقطة حرجة، وعند هذه النقطة يستقر في شكل مستقر ثانٍ يشبه القمة الدوارة. في شكل القمة الدوارة، قام الهيكل بتخزين كل الطاقة التي استخدمتها لضغطه. لذا، بمجرد أن تبدأ في سحب الهيكل لأعلى، ستصل إلى نقطة يتم فيها إطلاق كل هذه الطاقة مرة واحدة، مما يسبب ليعود إلى شكل الفانوس بسرعة كبيرة.

التواء، قابلة للطي، والاختلافات متعددة الاستقرار

وفقًا لياوي هونغ، المؤلف الأول للورقة والحاصل على درجة الدكتوراه سابقًا. طالب في ولاية نورث كارولاينا وهو الآن باحث ما بعد الدكتوراه في جامعة بنسلفانيااكتشف الفريق أنه يمكن إعادة تشكيل الفانوس بعدة طرق تتجاوز الضغط البسيط. يقول هونغ: “لقد وجدنا أنه يمكننا إنشاء العديد من الأشكال الإضافية عن طريق تطبيق لمسة على الشكل، أو عن طريق طي الشرائط الصلبة في أعلى أو أسفل الفانوس للداخل أو للخارج، أو أي مزيج من هذه الأشياء”. “كل من هذه الاختلافات هو أيضًا متعدد الاستقرار. يمكن لبعضها أن يتحرك ذهابًا وإيابًا بين حالتين مستقرتين. إحداهما لها أربع حالات مستقرة، اعتمادًا على ما إذا كنت تقوم بضغط البنية، أو تلوي البنية، أو ضغط البنية ولفها في وقت واحد.”

التحكم عن بعد والمظاهرات في العالم الحقيقي

وقام الباحثون أيضًا بتعزيز البنية من خلال وضع فيلم مغناطيسي رقيق على الشريط السفلي للفانوس. وقد سمح لهم ذلك بتحريف التصميم أو ضغطه من مسافة بعيدة باستخدام مجال مغناطيسي. تم عرض العديد من الأمثلة، بما في ذلك القابض اللطيف الذي يمكنه حمل سمكة دون إصابة، ومرشح المياه الذي يفتح ويغلق لإدارة التدفق، والتكوين المدمج الذي يمتد فجأة لأعلى لإعادة فتح أنبوب منهار.

نمذجة الاستقرار والشكل وتخزين الطاقة

لفهم كيفية تصرف كل نسخة من الفانوس بشكل أفضل، طور الفريق نموذجًا رياضيًا يصف كيفية تأثير هندسة الهيكل على شكله وكمية الطاقة المرنة المخزنة في كل حالة مستقرة.

يقول هونغ: “يسمح لنا هذا النموذج ببرمجة الشكل الذي نريد خلقه، ومدى استقراره، ومدى قوته عندما يُسمح للطاقة الكامنة المخزنة بالانتقال إلى طاقة حركية”. “وكل هذه الأشياء ضرورية لإنشاء أشكال يمكنها تنفيذ التطبيقات المطلوبة.”

نحو المستقبل للمواد الخارقة والروبوتات

“للمضي قدمًا، يمكن تجميع وحدات الفانوس هذه في بنيات ثنائية وثلاثية الأبعاد لتطبيقات واسعة في تشكيل الشكل الميكانيكي المواد الفوقية يقول يين: “والروبوتات. وسنستكشف ذلك”.

المرجع: “التشكل القابل للبرمجة في الوحدات الوصفية لمجموعة الشريط باستخدام الطاقة المرنة المخزنة” بقلم Yaoye Hong وCaizhi Zhou وHaitao Qing وYinding Chi وJie Yin، 10 أكتوبر 2025، مواد الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41563-025-02370-z

شارك في تأليف هذه الورقة كايزي تشو وهايتاو تشينغ، وكلاهما حاصلان على درجة الدكتوراه. الطلاب في ولاية نورث كارولاينا. وبواسطة ييندينج تشي، دكتوراه سابقة. طالب في ولاية نورث كارولاينا وهو الآن باحث ما بعد الدكتوراه في بنسلفانيا.

تم إنجاز هذا العمل بدعم من المؤسسة الوطنية للعلوم في إطار المنح 2005374 و2369274 و2445551.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.