Forskare från Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) och California Institute of Technology (Caltech), Förenta staterna, har utvecklat en ny typ av ringbrynjetyg som är flexibelt som tyg men kan stelna vid behov.

Det lätta tyget är 3D-tryckt av nylonplastpolymerer och består av ihåliga oktaedrar (en form med åtta lika triangulära ytor) som låser ihop med varandra.

När det mjuka tyget lindas in i ett flexibelt plastkuvert och vakuumförpackas, den förvandlas till en stel struktur som är 25 gånger styvare eller svårare att böja än när den är avslappnad. Den fysiska principen bakom det kallas " störningsövergång ", liknar stelningsbeteendet i vakuumförpackade påsar med ris eller bönor.

Känd som "bärbara strukturerade tyger", utvecklingen kan bana väg för nästa generations smarta tyger som kan härda för att skydda en användare mot stötar eller när ytterligare bärkraft behövs.

Potentiella tillämpningar kan inkludera skottsäkra eller sticksäkra västar, konfigurerbart medicinskt stöd för äldre, och skyddande exoskelett för högpåverkande sporter eller arbetsplatser som byggarbetsplatser.

Publicerad idag i Natur , denna tvärvetenskapliga forskning är resultatet av ett samarbete mellan experter inom maskinteknik och avancerad tillverkning.

Huvudförfattare till tidningen, Nanyang biträdande professor Wang Yifan, sa att deras forskning har grundläggande betydelse såväl som industriell relevans och att den kan leda till en ny plattformsteknik med tillämpningar inom medicinska och robotsystem som kan gynna samhället.

"Med ett konstruerat tyg som är lätt och justerbart - lätt att ändra från mjukt till styvt - kan vi använda det för att möta behoven hos patienter och den åldrande befolkningen, till exempel, att skapa exoskelett som kan hjälpa dem att stå, bära laster och hjälpa dem med deras dagliga uppgifter, "sade ass. Prof Wang från NTU:s School of Mechanical and Aerospace Engineering, som startade denna forskning när han var post-doc forskare vid Caltech.

"Inspirerad av antika ringbrynjerustningar, vi använde ihåliga plastpartiklar som är sammankopplade för att förbättra våra trimbara tygers styvhet. För att ytterligare öka materialets styvhet och styrka, vi arbetar nu med tyger gjorda av olika metaller inklusive aluminium, som skulle kunna användas för större industriella tillämpningar som kräver högre lastkapacitet, såsom broar eller byggnader."

Motsvarande författare till tidningen, Professor Chiara Daraio, Caltechs G. Bradford Jones professor i maskinteknik och tillämpad fysik, sa, "Vi ville göra material som kan ändra styvhet på kommando. Vi vill skapa ett tyg som går från mjukt och vikbart till styvt och bärande på ett kontrollerbart sätt."

Ett exempel från populärkulturen skulle vara Batmans cape i filmen från 2005 Batman börjar , som i allmänhet är flexibel men kan göras styv efter behag när den kapade korsfararen behöver den som glidflygplan.

Vetenskapen bakom det sammankopplade tyget

Det vetenskapliga konceptet bakom tyget med variabel styvhet kallas "jamming transition". Detta är en övergång där aggregat av fasta partiklar växlar från ett vätskeliknande mjukt tillstånd till ett fastliknande styvt tillstånd, med en lätt ökning av packningsdensiteten. Dock, typiska fasta partiklar är vanligtvis för tunga och ger inte tillräckligt draghållfasthet för bärbara applikationer.

I sin forskning, författarna designade strukturerade partiklar – där varje partikel är gjord av ihåliga ramar – i form av ringar, ovaler, rutor, kuber, pyramider och olika former av oktaedrar som sedan kopplas samman. Dessa strukturer, kända som topologiskt sammankopplade strukturer, kan sedan formas till ringbrynjeväv som har en låg densitet och ändå hög dragstyvhet, använder den senaste 3-D-utskriftstekniken för att skriva ut dem som ett stycke.

De modellerade sedan antalet genomsnittliga kontaktpunkter per partikel och hur mycket varje struktur kommer att böjas som svar på mängden stress som appliceras. Teamet upptäckte att genom att anpassa partikelformen, det fanns en avvägning mellan hur mycket vikt partiklarna kommer att ha kontra hur mycket tyget kan böjas, och hur man balanserar de två faktorerna.

För att lägga till ett sätt att kontrollera tygets styvhet, teamet kapslade in ringbrynjetyget i ett flexibelt plastkuvert och komprimerade tygerna med ett vakuum, som applicerar tryck utifrån. Vakuumtrycket ökar tygets packningstäthet, får varje partikel att ha mer kontakt med sina grannar, resulterande, för det oktaederbaserade tyget, i en struktur som är 25 gånger styvare. När den formas till en lägenhet, bordsformad struktur och vakuumlåst på plats, tyget kan hålla en belastning på 1,5 kg, mer än 50 gånger tygernas egen vikt.

I ett annat experiment, laget tappade en liten stålkula (30 gram, mäter 1,27 cm i diameter) på ringbrynjan med 3 meter per sekund. Stöten deformerade tyget med upp till 26 mm när det var avslappnat, men med bara 3 mm när det förstyvats, en sex gånger minskning av inträngningsdjupet.

För att visa möjligheterna med deras tygkoncept med hjälp av olika källmaterial, teamet 3-D-printade ringbrynjan med aluminium och visade att den har samma flexibilitet och "mjuka" prestanda som nylon när den är avslappnad och ändå kan den också "fastnas" i strukturer som är mycket styvare jämfört med nylon på grund av aluminiums högre styvhet och styrka.

Dessa metalliska ringbrynjor kan användas i applikationer som kroppsskydd, där de ska skydda mot hårda och snabba stötar från vassa föremål. I så fall, inkapslings- eller höljesmaterialet kan vara tillverkat av aramidfibrer, allmänt känd som Kevlar, används som tyg i skottsäkra västar.

Går vidare, teamet vill förbättra materialets och tygets prestanda för deras ringbrynja och att utforska fler metoder för att förstyva den, som genom magnetism, el eller temperatur.