Изследователи от Лабораторията по компютърни науки и изкуствен интелект (CSAIL) към Масачузетския технологичен институт (MIT) разработиха технология, която за секунди превръща гъвкавите 3D-отпечатани структури в твърди носещи форми. Механизмът, наречен „Y-Zipper“, позволява бързо сглобяване на греди, арки, крайници на роботи и разгъваеми скелети, отваряйки пътя към създаването на адаптивни роботи, бързо разгъваеми укрития и преконфигурируеми медицински устройства.

За разлика от обикновените ципове, които свързват две плоски повърхности в 2D, Y-Zipper свързва три гъвкави „рамена“ в твърда триизмерна триъгълна тръба. В отворено или разкопчано състояние структурата се държи като меки пластмасови ленти или гъвкави пипала, всяко от които се огъва и усуква независимо. При закопчаване обаче с помощта на специален плъзгач рамената се сцепват, образувайки твърда гредоподобна структура, способна да издържа на натоварвания.

Концепцията е първоначално предложена през 1985 година от професора от MIT Уилям Фрийман, който измисля триъгълна система за сглобяване, позволяваща бързото сглобяване на обекти като палатки, мебели и контейнери. В онези времена обаче производствените ограничения правеха конструкцията неприложима. Фрийман патентова дизайна с надеждата, че производствените технологии в крайна сметка ще настигнат идеята му. Почти четири десетилетия по-късно съвременните 3D принтери и инструменти за компютърно проектиране най-накрая позволиха на изследователите да се върнат към тази идея.

Екипът на CSAIL разработи софтуер, който позволява на потребителите да настройват поведението на ципа след сглобяване. В зависимост от конструкцията на рамената механизмът може да формира прави линии, арки, спирали или усукани винтови структури. Цялата система, включително трите рамена и плъзгача е изработена изцяло чрез 3D печат от обикновени полимерни материали.

Инженерният принцип, на който се основава системата, е сравнително прост: по своята същност триъгълниците са устойчиви.

Строителното инженерство от десетилетия разчита на триъгълната геометрия при мостове, кранове, кули и ферми, тъй като триъгълниците се съпротивляват много по-добре на деформация, отколкото плоските или правоъгълните конструкции. Y-Zipper използва същия принцип, като при затваряне трите гъвкави рамена образуват триъгълна конфигурация, по същество сглобявайки лека конструктивна греда при необходимост.

Възможността за превключване между меко и твърдо състояние е особено актуална за роботиката и разгъваемите системи. Инженерите често се сблъскват с трудности при съчетаването на гъвкавост и структурна твърдост в един механизъм. Меките роботизирани системи се адаптират добре към непредсказуема среда, но често не притежават здравина, докато твърдите системи осигуряват стабилност за сметка на гъвкавостта.

Разработката на MIT се опитва да съчетае и двете качества.
Изследователите демонстрираха четирикрак робот с крака, способни да променят височината и твърдостта си чрез задействане на механизъм тип цип с помощта на мотори. Такива системи могат да помогнат на роботите да се придвижват по неравен терен, като динамично променят геометрията на крайниците си в отговор на околната среда.

Екипът също така тества системата в разгъваеми конструкции. В една от демонстрациите те използваха Y-Zipper за бързо сглобяване на конструкция, наподобяваща палатка, където тристранният механизъм служи едновременно като носеща рамка и свързваща система. Според екипа времето за монтаж се съкрати от около шест минути до една минута и 20 секунди, тъй като ципът ефективно фиксира конструкцията на място.

Медицинското приложение е още една възможна цел. Изследователите създадоха прототип на фиксатор за китката, който обвиваше механизма около гипса, позволявайки на потребителите да го отпускат през деня за комфорт и да го затягат през нощта за опора.

Освен инженерните приложения, системата може също да създава динамични движещи се структури за изкуство и дизайн. Един от прототипите наподобяваше механично цвете, което „разцъфваше“, докато моторът закрепваше структурата отдолу нагоре.

Тестовете за издръжливост показаха, че механизмът издържа на около 18 000 цикъла на затягане и отпускане, преди да се повреди. Според изследователите, еластичното поведение на структурата помага за разпределяне на напрежението по цялата конструкция, вместо да го концентрира в една област.

Екипът тества версии на конструкцията, изработени от популярни материали за 3D печат: полилактид (PLA) и термопластичен полиуретан (TPU). PLA се справяше по-ефективно с тежки натоварвания, докато TPU осигуряваше по-голяма гъвкавост. Бъдещите версии могат да използват по-здрави материали, като метал, и да бъдат мащабирани до много по-големи размери. Изследователите също така предположиха възможно приложение в аерокосмическата индустрия, включително разгъваеми космически конструкции и роботизирани системи, способни да вземат проби от скални образувания по време на изследователски мисии.

Работата беше представена на конференцията ACM за човешкия фактор в изчислителните системи (CHI) през април и е описана подробно в статия, озаглавена „Y-Zipper: 3D Printing Flexible–Rigid Transition Mechanism for Rapid and Reversible Assembly“.