„Metamateriale mecanice” – Blocurile de construcție versatile fac structuri cu proprietăți mecanice uimitoare

din

Cercetătorii CBA au creat patru tipuri diferite de subunități noi, numite voxeluri (o schimbare 3D în pixeli a unei imagini 2D). De la stânga la dreapta: solid (gri), consistent (violet), auxetic (portocaliu), chiral (albastru). Credit:
Imagine: Benjamin Jenett, CBA

Subunitățile pot fi asamblate robotizat pentru a produce obiecte mari și complexe, inclusiv mașini, roboți sau palele turbinei eoliene.

Cercetătorii de la cuCentrul pentru piese și atomi a creat blocuri mici care prezintă o varietate de proprietăți mecanice unice, cum ar fi capacitatea de a produce o mișcare de torsiune atunci când este apăsat. Aceste subunități pot fi asamblate potențial de la roboți mici într-o varietate aproape nelimitată de obiecte cu funcționalitate integrată, inclusiv vehicule, piese industriale mari sau roboți specializați care pot fi asamblate în mod repetat în diferite forme.

Cercetătorii au creat patru tipuri diferite de aceste subunități, numite voxeluri (o modificare 3D în pixeli a unei imagini 2D). Fiecare tip de voxel prezintă proprietăți unice care nu se regăsesc în materialele naturale tipice și, în combinație, pot fi utilizate pentru a crea dispozitive care răspund stimulilor de mediu în moduri previzibile. Exemplele pot include aripi de avion sau pale de turbină care răspund la modificările presiunii aerului sau a vitezei vântului prin schimbarea formei lor generale.

Descoperirile, care detaliază crearea unei familii discrete „metamateriale mecanice”, sunt descrise într-o lucrare publicată pe 18 noiembrie 2020, în revista Progrese în știință, autor al recentului absolvent al doctoratului MIT Benjamin Jenett dr. ’20, profesor Neil Gershenfeld și alți patru.

„Această minunată, esențială și frumoasă sinteză promite să revoluționeze costul, adecvarea și eficiența funcțională a structurilor ultralegere, care economisesc materiale”, spune Amory Lovins, profesor asistent de inginerie civilă și de mediu la Universitatea Stanford și fondator al Rocky Mountain. Institute, care nu avea legătură cu această lucrare.

Metamateriale își ia numele, deoarece proprietățile lor la scară largă sunt diferite de proprietățile la nivel micro ale materialelor lor constitutive. Sunt folosite în electromagnetică și ca materiale „arhitecturale”, care sunt proiectate la nivelul microstructurii lor. „Dar nu s-a făcut mult pentru a crea proprietăți mecanice macroscopice ca metamaterial”, spune Gershenfeld.

Cu această abordare, inginerii trebuie să poată construi structuri care încorporează o gamă largă de proprietăți materiale – și să le producă pe toate folosind aceleași procese comune de fabricație și asamblare, spune Gershenfeld.

Voxelurile sunt asamblate din bucăți de cadru plat de polimeri turnați prin injecție, apoi combinate în forme tridimensionale care pot fi unite în structuri funcționale mai mari. Acestea sunt în mare parte spații deschise și astfel oferă un cadru extrem de ușor, dar rigid atunci când sunt montate. În plus față de unitatea de bază solidă, care oferă o combinație excepțională de rezistență și greutate redusă, există alte trei variante ale acestor voxeli, fiecare cu o proprietate neobișnuită diferită.

Voxelurile “auxetice” au o proprietate ciudată în care un cub de material, atunci când este comprimat, în loc să iasă în lateral, suflă de fapt spre interior. Aceasta este prima demonstrație a unui astfel de material produs prin metode de producție convenționale și ieftine.

Există, de asemenea, voxeli „compatibili”, cu un raport zero Poisson, care este oarecum similar cu proprietatea auxetică, dar în acest caz, atunci când materialul este comprimat, părțile laterale nu își schimbă deloc forma. Puține materiale cunoscute prezintă această proprietate, care acum poate fi produsă prin această nouă abordare.

În cele din urmă, vocalele „chirale” răspund la compresia axială sau alinierea cu o mișcare de torsiune. Din nou, aceasta este o proprietate neobișnuită; cercetările care au produs astfel de materiale prin tehnici complexe de fabricație au fost apreciate anul trecut ca o descoperire semnificativă. Această lucrare face această proprietate ușor accesibilă la scări macroscopice.

„Fiecare tip de proprietate materială pe care o prezentăm a fost anterior un domeniu propriu”, spune Gershenfeld. „Oamenii ar scrie scrisori doar despre acea proprietate. Acesta este primul lucru care le spune tuturor unui singur sistem. “

Pentru a demonstra în lumea reală potențialul obiectelor mari construite într-o manieră asemănătoare LEGO-ului din aceste duze produse în serie, echipa, lucrând în colaborare cu inginerii de la Toyota, a produs o mașină funcțională de super-kilometraj, pe care o au a demonstrat-o pe o pistă de decolare în timpul unei conferințe internaționale de robotică la începutul acestui an.

Ei au reușit să asambleze structura ușoară și de înaltă performanță în doar o lună, spune Jenett, în timp ce construirea unei structuri comparabile utilizând metode convenționale de construcție din fibră de sticlă a avut loc cu un an mai devreme.

În timpul cursei, pista a fost netezită de ploaie, iar mașina de curse a ajuns să se prăbușească într-un obstacol. Spre surprinderea tuturor celor implicați, structura internă asemănătoare cu ochiurile mașinii s-a deformat și apoi s-a retras, absorbind șocul cu puține daune. O mașină construită convențional, spune Jenett, ar fi fost probabil grav deteriorată dacă ar fi fost făcută din metal sau ruptă dacă ar fi fost compozită.

Mașina a oferit o demonstrație vie a faptului că aceste piese mici pot fi cu adevărat folosite pentru a realiza dispozitive funcționale pe scări de dimensiuni umane. Și, subliniază Gershenfeld, în structura mașinii, “acestea nu sunt piese conectate la altceva. Întregul lucru nu este făcut din altceva decât aceste piese”, cu excepția motoarelor și a sursei de alimentare.

Deoarece duzele sunt uniforme ca dimensiune și compoziție, ele pot fi combinate în orice mod necesar pentru a oferi diferite funcții dispozitivului rezultat. „Putem include o gamă largă de proprietăți materiale care anterior erau considerate extrem de specializate”, spune Gershenfeld. „Ideea este că nu trebuie să alegeți o proprietate. Puteți face, de exemplu, roboți care se îndoaie într-o direcție și sunt rigizi în altă direcție și se mișcă doar în anumite moduri. Deci, marea diferență în timpul lucrărilor noastre timpurii este această capacitate de a extinde numeroasele proprietăți ale materialelor mecanice, care anterior erau considerate acum izolate. “

Jenett, care a făcut cea mai mare parte a acestei lucrări ca bază pentru teza sa de doctorat, spune că „aceste părți sunt ieftine, ușor de produs și foarte rapid de asamblat și obțineți această gamă de proprietăți. totul într-un singur sistem. „Toate sunt compatibile între ele, deci există toate aceste tipuri diferite de proprietăți exotice, dar toate joacă bine unul cu celălalt în același sistem scalabil și gratuit”.

„Gândiți-vă la toate părțile solide și piesele mobile din mașini, roboți, nave și avioane”, spune Gershenfeld. „Și le putem extinde pe toate cu acest sistem”.

Un factor cheie este că o structură constând dintr-un tip din aceste voxuri se va comporta exact la fel ca subunitatea însăși, spune Jenett. „Am putut demonstra că îmbinările dispar efectiv atunci când asamblați piesele împreună. Se comportă ca un material continuu, monolitic. “

Deoarece cercetarea robotică a avut tendința de a se împărți între roboții duri și cei roboți, “acest lucru nu este chiar mare”, spune Gershenfeld, datorită potențialului său de a amesteca și a potrivi aceste proprietăți într-un singur dispozitiv.

Una dintre posibilele aplicații timpurii ale acestei tehnologii, spune Jenett, ar putea fi pentru construcția palelor turbinei eoliene. Pe măsură ce aceste structuri devin din ce în ce mai mari, transportul lamelor la locul lor de funcționare devine o problemă logistică gravă și, dacă sunt asamblate din mii de subunități mici, acea lucrare poate fi făcută la fața locului, eliminând problema transportului. . În mod similar, eliminarea lamelor de turbină uzate devine deja o problemă serioasă datorită dimensiunilor lor mari și lipsei de reciclare. Dar lama constând din voxeli mici ar putea fi dezasamblată pe loc, iar voxelurile au fost apoi refolosite pentru a face altceva.

Și, în plus, lamele în sine pot fi mai eficiente, deoarece pot avea un amestec de proprietăți mecanice proiectate în structură care le va permite să răspundă dinamic, pasiv, la schimbările forței vântului, spune el. .

În ansamblu, Jenett spune: „Acum avem acest sistem scalabil, cu costuri reduse, astfel încât să putem proiecta orice vrem. Putem face patrupeduri, putem face roboți de înot, putem fabrica roboți zburători. Această flexibilitate este unul dintre principalele beneficii ale sistemului. “

Stanford Lovins spune că această tehnologie „poate face suprafețele de zbor aeronautice libere, stabile, extrem de ușoare, care optimizează pasiv și continuu forma lor asemănătoare păsărilor. automobilele se apropie de sarcina lor, deoarece structura lor dăunătoare devine în mare parte aeră. Poate permite chiar și scoici sferice, a căror forță de compresiune permite unui balon puternic de vid (fără heliu) în atmosferă să ridice câteva zeci ori încărcarea netă a unui avion jumbo. “

El adaugă, „La fel ca biomimica și designul integrativ, această nouă artă a metamaterialelor celulare este un nou instrument puternic pentru a ne ajuta să facem mai mult cu mai puțin.”

Referință: „Metamateriale mecanice colectate discret” de Benjamin Jenett, Christopher Cameron, Filippos Tourlomousis, Alfonso Parra Rubio, Megan Ochalek și Neil Gershenfeld, 18 noiembrie 2020, Progrese în știință.
DOI: 10.1126 / sciadv.abc9943

Echipa de cercetare a inclus Filippos Tourlomousis, Alfonso Parra Rubio și Megan Ochalek la MIT și Christopher Cameron la Laboratorul de Cercetare al Armatei SUA. Lucrarea a fost susținută de NASA, Laboratorul de Cercetare al Armatei SUA și Centrul pentru Consorții Bit și Atom.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Modelul demonstrează similitudini în modul în care studiază oamenii și insectele

Modelul de calcul demonstrează similaritatea în cunoașterea împrejurimilor oamenilor și insectelor. Potrivit unui nou studiu de la Universitatea din Sussex, care arată cum oamenii pot...

Cum am creat „furtuna perfectă” pentru evoluția și transmiterea bolilor infecțioase, cum ar fi COVID-19

Potrivit unui cercetător de la Universitatea din Anglia de Est, în majoritatea modurilor noastre, „furtuna perfectă” a fost creată pentru evoluția și transmiterea bolilor...

„Adezivul molecular” crește eficiența și face ca celulele solare perovskite să devină mult mai fiabile în timp

Cercetătorii au folosit „adeziv molecular” auto-asamblat monostrat pentru a consolida interfețele din celulele solare perovskite pentru a le face mai eficiente, stabile și fiabile....

Pastele plate sunt atât de avansate încât se formează în morfuri atunci când sunt fierte

Laboratorul CMU gestionează producția de paste, care își schimbă forma pe măsură ce gătește. Credit: Universitatea Carnegie Mellon Pastele plate ambalate creează ambalare, transport...

Oamenii de știință ai undelor gravitaționale Excelentă nouă metodă de rafinare a constantei Hubble – expansiunea și vârsta universului

O ilustrare a artistului unei perechi unificate de stele neutronice. Credit: Carl Knox, Universitatea OzGrav-Swinburne O echipă de oameni de știință internaționali, condusă de...

Newsletter

Subscribe to stay updated.