Інженери з Південної Кореї і США розробили колесо з орігамі-конструкцією, здатне змінювати свою форму прямо під час їзди. Вони успішно випробували прототипи коліс різного розміру, в тому числі здатні витримувати навантаження до десяти кілоньютонів: під час тестів автомобіль з чотирма такими колесами успішно перевіз людину і змінив конфігурацію в русі. Стаття, присвячена конструкції та випробуванням, опублікована в журналі.
Інженери давно використовують у своїх розробках конструкції, побудовані за принципом орігамі - японського мистецтва складання складних форм з плоского аркуша паперу. Це дозволяє робити роботів або інші пристрої складними і змінювати їх конфігурацію під час використання. В істотній частині проектів орігамі використовується у вихідному вигляді - у вигляді паперових конструкцій невеликої форми. Це годиться для створення невеликих прототипів, що підтверджують працездатність концепції, але не підходить для масштабування і реального застосування.
Кілька років тому швейцарські та американські інженери запропонували новий тип орігамі-структур, що дозволяє використовувати той же принцип складання для створення жорстких несучих конструкцій. Такі структури складаються з двох частин: еластичної полімерної мембрани, яка може розтягуватися і гнутися, і нанесених на неї з двох боків жорстких пластин. Крім того, що жорсткі пластини дозволяють створювати жорсткі конструкції, ще одна з переваг такої структури полягає в тому, що завдяки еластичній мембрані стики між пластинами стають підпруженими і дозволяють конструкції самостійно збиратися в потрібну форму або повертатися в неї після деформації.
Інженери під керівництвом Чжо Гю-Чжина (Kyu-Jin Cho) з Сеульського національного університету вже створювали на основі схожої структури орігамі-колеса для робота зі змінюваною формою, а тепер змогли вдосконалити конструкцію і масштабувати її до розмірів автомобіля і відповідних навантажень.
Автори взяли за основу патерн орігамі, відомий як водяна бомбочка, тому що він дозволяє створити колесо, в якому частина структур розташована перпендикулярно напрямку навантаження, а частина - перпендикулярно напрямку трансформуючої сили (яка змушує колесо змінювати конфігурацію), що дозволяє зберігати обидва положення з мінімальними витратами енергії.
Інженери кілька разів змінювали структуру колеса, розташування його жорстких фрагментів на полімерній підкладці, товщину підкладки і відстань між жорсткими фрагментами. Однією з головних проблем виявився підбір оптимального співвідношення між товщиною еластомера і відстанню, вони вирішили її за допомогою моделювання в рамках теорії балок Ейлера-Бернуллі.
В результаті вони отримали структуру з безлічі частин, серед яких основні - втулка і частини, що утворюють обод і спиці. Крім того, всередині розташовані самоблокуючі структури, які дозволяють підтримувати структурну цілісність колеса, коли воно знаходиться в конфігурації з великим діаметром, у тому числі при бічних навантаженнях, а також протектор. А в стані з малим діаметром цілісність конструкції досягається за рахунок того, що спиці з різних сходяться один до одного, а навантаження від автомобіля і рельєфу припадає в основному на перпендикулярні частини ободу. В основному колесо виконано з еластичної основи, що складається з ПЕТ і нейлонової тканини, а також жорстких панелей з алюмінію.
Інженери зібрали чотири прототипи коліс, які можуть перебувати в двох конфігураціях: великий і бездорожній з діаметром 80 сантиметрів, шириною 22 сантиметри і заглибленнями в протекторі, і невеликий, призначеною для рівної дороги, з діаметром 46 сантиметрів і шириною 48 сантиметрів. Вони зібрали прототип автомобіля, в якому за обертання коліс відповідає два електричні двигуни, що передають зусилля через ланцюги, а за трансформацію між станами коліс відповідають лінійні гідравлічні актуатори, що розсувають площини втулок коліс і тим самим змушують поверхню коліс змінювати форму. Інженери також показали, що колесо можна встановити і на звичайний автомобіль.
Випробування показали, що колеса здатні витримати навантаження в 10 2 кілоньютона, а на трансформацію при швидкості в один метр в секунду йде п'ять секунд. Співвідношення допустимої маси корисного навантаження до маси самого колеса становить понад 50.
Автори відзначають, що поки лише довели працездатність самої конструкції, але в майбутньому її необхідно буде оцінити її довгострокову стійкість до вібрацій і рівень шуму, а також адаптувати матеріали і методи виробництва до вже використовуваних в колісній промисловості для виробництва шин.
Це не перший проект, в рамках якого інженери намагаються винайти колесо заново. Наприклад, у 2018 році американські військові випробували колесо для бойових машин, яке може на ходу перемикатися між режимом круглого обертового колеса і трикутного гусеничного рушія. А австралійці створили колеса, які можуть на ходу змінювати передавальне співвідношення і висоту осі над землею.