Лист бумаги, оставленный на мокром столе, коробится и приподнимает края. Никто не управляет этим движением, но оно происходит по тем же законам, что и рост растения: одни области листа сжимаются сильнее других, и плоская форма превращается в объёмную. Инженеры давно мечтали приручить этот процесс, чтобы плоская заготовка сама складывалась в нужную скульптуру. В новой работе этот трюк удался с точностью до одного процента.
Секрет в контрасте. Стержни после высыхания сохраняют 96% своего набухшего размера, а мембрана сжимается до 64%. Разница в усадке — 50% — заставляет мембрану натягиваться на стержни, как тент на каркас. При этом жёсткость стержней в две тысячи раз выше, чем у мембраны, поэтому они не гнутся, а лишь направляют деформацию. Так плоский лист превращается в купол, седловидную поверхность или даже ячейку гироида — структуру, которую раньше получали только сложной 3D-печатью.
Раньше было непонятно, можно ли перенести обратный дизайн оригами в полимерную плёнку с помощью простого одностороннего облучения. Многослойные самосворачивающиеся плёнки требовали точной двусторонней юстировки, а гидрогелевые системы жили только в воде. Здесь вся информация о форме закодирована в одностороннем узоре, и после высыхания получается сухая постоянная структура. Достаточно бытового ЖК-принтера.
Точность поражает: для купола среднее отклонение от цели составило 1,0% от диагонали ограничивающего параллелепипеда, для гиперболической поверхности — 2,1%, для гироида — 1,7%. Ключевым оказался периметр: если не обрабатывать контур, края мембраны укорачиваются и тянут всю конструкцию в сторону. Стержни, расставленные вдоль границы, запирают её, как кольцо, и форма остаётся верной.
Лист, который сам складывается в скульптуру по невидимым линиям, теперь можно рассчитать на компьютере. Это открывает путь к рулонному производству лёгких развёртываемых конструкций, биомиметических поверхностей и элементов мягкой робототехники. А если заменить мембрану на стимул-чувствительный полимер, трансформация станет обратимой: плоские плёнки можно будет хранить компактно и разворачивать в несущие поверхности по команде.
Гёте в «Метаморфозе растений» (1790) предположил, что все органы растения — это видоизменённые листья. Современная механика подтверждает: форма органа определяется неоднородной деформацией и узором жёсткости, и именно этот принцип воспроизведён в полимерной плёнке.
Идея плоского листа, который сам сворачивается в сложную трёхмерную форму по запрограммированному узору, перекликается с «умной материей» из научной фантастики, например с программируемыми материалами в романе Нила Стивенсона «Алмазный век» или с разворачивающимися конструкциями в сериале «Экспансия».