“Mga mekanikal na metamaterial” – maraming nalalaman na mga bloke ng gusali na gumagawa ng mga istraktura na may kamangha-manghang mga mekanikal na katangian

May-akda

Ang mga mananaliksik ng CBA ay lumikha ng apat na magkakaibang uri ng mga bagong subunits na tinatawag na voxels (pagkakaiba-iba ng 3D pixel ng isang 2D na imahe). Mula kaliwa hanggang kanan: matigas (grey), katinig (lila), auxetic (orange), chiral (asul). Kredito:
Larawan: Benjamin Janet, CBA

Ang mga paksa ay maaaring tipunin ng isang robotic na pamamaraan upang makabuo ng mga malalaking kumplikadong bagay, kabilang ang mga kotse, robot o windmill blades.

Ang mga mananaliksik sa ЗAng gitna ng mga piraso at atomo ay lumikha ng maliliit na mga bloke ng gusali na nagpapakita ng maraming natatanging mga katangian ng mekanikal, tulad ng kakayahang makagawa ng mga paggalaw ng pag-ikot kapag na-compress. Ang mga yunit na ito ay maaaring tipunin ng mga maliliit na robot sa isang halos walang limitasyong pagkakaiba-iba ng mga pasilidad na may built-in na pag-andar, kabilang ang mga sasakyan, malalaking bahagi ng industriya, o dalubhasang mga robot na maaaring paulit-ulit na tipunin sa iba’t ibang mga form.

Lumikha ang mga mananaliksik ng apat na magkakaibang uri ng mga subunit na ito, na tinawag na mga voxel (pagkakaiba-iba ng 3D pixel ng isang 2D na imahe). Ang bawat uri ng voxel ay nagpapakita ng mga espesyal na pag-aari na wala sa mga tipikal na likas na materyales, at kasama ng mga ito posible na gumawa ng mga aparato na tumutugon sa mga pampasigla sa kapaligiran sa mahuhulaan na mga paraan. Ang mga halimbawa ay mga pakpak ng sasakyang panghimpapawid o mga turbine blades na tumutugon sa mga pagbabago sa presyon ng hangin o bilis ng hangin sa pamamagitan ng pagbabago ng pangkalahatang hugis.

Ang mga resulta, na detalyado sa paglikha ng isang pamilya ng magkakahiwalay na “mekanikal na metamaterial”, ay inilarawan sa isang artikulong nai-publish noong Nobyembre 18, 2020 sa journal Mga pagsulong sa agham, mga may-akda ng isang kamakailang nagtapos na mag-aaral sa Massachusetts Institute of Technology na si Benjamin Janet, Ph.D., Propesor Neil Gerschenfeld at apat pang iba.

“Ang maganda, pangunahing, at magandang pagbubuo na ito ay nangangako na baguhin ang halaga, kakayahang umangkop, at mahusay na paggana ng ultralight, mga materyales na epektibo sa gastos,” sabi ni Amory Lovins, katulong na propesor ng civil engineering at engineering sa kapaligiran sa Stanford University at nagtatag ng Macaw Institute. na hindi nauugnay sa gawaing ito.

Mga Metamaterial nakuha ang kanilang pangalan dahil ang kanilang malalaking sukat na katangian ay magkakaiba mula sa mga micro-level na katangian ng mga bahagi. Ginagamit ang mga ito sa electromagnetics at bilang mga materyal na “arkitektura” na dinisenyo sa antas ng kanilang microstructure. “Ngunit maraming nagawa upang lumikha ng macroscopic mechanical na mga katangian bilang isang metamaterial,” sabi ni Gerschenfeld.

Sa pamamaraang ito, dapat na makabuo ang mga inhinyero ng mga disenyo na may kasamang malawak na hanay ng mga materyal na pag-aari – at likhain silang lahat gamit ang parehong karaniwang proseso ng pagmamanupaktura at pagpupulong, sabi ni Gerschenfeld.

Ang mga Voxel ay pinagsama mula sa mga piraso ng flat frame na gawa sa mga polymers na hinulma sa iniksyon, pagkatapos ay pinagsama sa mga three-dimensional na hugis na maaaring isama sa mas malaking mga istrukturang nagagamit. Karamihan sa mga ito ay bukas na espasyo at sa gayon ay nagbibigay ng isang lubos na magaan ngunit matibay na frame kapag nag-iipon. Bilang karagdagan sa pangunahing hard block, na nagbibigay ng isang pambihirang kumbinasyon ng lakas at magaan na timbang, may tatlong iba pang mga pagkakaiba-iba ng mga voxel na ito, bawat isa ay may hindi pangkaraniwang mga katangian.

Ang mga “auxetic” na voxel ay may kakaibang pag-aari kung saan ang isang kubo ng materyal kapag na-compress, sa halip na nakausli sa mga gilid, talagang lumalabas papasok. Ito ang unang pagpapakita ng naturang materyal na ginawa ng maginoo at murang pamamaraan ng paggawa.

Mayroon ding mga “katugmang” voxel na may zero na ratio ng Poisson, na medyo katulad sa auxetic na ari-arian, ngunit sa kasong ito, kapag pinipiga ang materyal, ang mga partido ay hindi nagbabago ng hugis. Ilang mga kilalang materyales ang nagpapakita ng pag-aari na ito, na maaari na ngayong makuha sa bagong pamamaraang ito.

Sa wakas, ang mga “chiral” voxel ay tumutugon sa compression ng ehe o makunat na paggalaw ng paikot. Muli, ito ay isang bagay na pambihira; isang pag-aaral na gumawa ng isa sa mga materyal na ito sa pamamagitan ng sopistikadong mga diskarte sa katha ay kinilala noong nakaraang taon bilang isang mahalagang hanapin. Ginagawa nitong gawaing madaling makuha ang pag-aari na ito sa isang scale ng macroscopic.

“Ang bawat uri ng materyal na pag-aari na ipinakita namin ay dati nitong sariling larangan,” sabi ni Gerschenfeld. “Ang mga tao ay magsusulat ng mga dokumento tungkol sa isang pag-aari lamang. Iyon ang unang bagay na ipinapakita sa kanilang lahat sa isang system. “

Upang maipakita ang totoong potensyal ng mga malalaking bagay na itinayo sa form na LEGO mula sa mga serial voxel na ito, ang koponan sa pakikipagtulungan ng mga inhinyero ng Toyota ay gumawa ng isang functional high-mileage race car, na ipinakita nila sa track sa panahon ng isang pandaigdigang robotics conference noong taong ito.

Nagawa nilang tipunin ang isang magaan, mataas na pagganap na disenyo sa isang buwan lamang, sabi ni Janet, samantalang ang pagbuo ng isang maihahambing na disenyo gamit ang maginoo na mga diskarte sa fiberglass na tumagal ng isang taon.

Sa panahon ng karera ang track ay makinis mula sa ulan, at ang karera ng kotse sa paglaon ay bumagsak sa isang hadlang. Sa sorpresa ng lahat ng mga kalahok, ang mala-loob na istraktura ng kotse ay na-deform at pagkatapos ay tumalbog, na hinihigop ang pagkabigla sa maliit na pinsala. Ang isang normal na built car, sabi ni Janet, ay malamang na malubhang mapuputol kung gawa sa metal, o masira kung ito ay pinaghalo.

Malinaw na ipinakita ng kotse ang katotohanang ang maliliit na bahagi na ito ay maaaring magamit upang lumikha ng mga aparato na gumagana sa laki ng tao. At, tala ni Gerschenfeld, sa disenyo ng kotse “hindi ito mga bahagi na nauugnay sa anupaman. Ang buong bagay ay walang ginawa kundi ang mga bahaging ito” maliban sa mga motor at supply ng kuryente.

Dahil ang mga voxel ay pareho ang laki at komposisyon, maaari silang pagsamahin sa anumang paraang kinakailangan upang magbigay ng iba’t ibang mga pag-andar ng nagresultang aparato. “Maaari naming masakop ang isang malawak na hanay ng mga materyal na pag-aari na dati ay itinuturing na napaka dalubhasa,” sabi ni Gerschenfeld. “Ang totoo hindi mo kailangang pumili ng isang pag-aari. Maaari kang gumawa, halimbawa, ng mga robot na yumuko sa isang direksyon at sa kabilang direksyon ay mahigpit at gumagalaw lamang sa ilang mga paraan. Samakatuwid, ang isang pangunahing pagbabago kumpara sa aming nakaraang trabaho ay ang kakayahang masakop ang maraming mga katangiang mekanikal ng isang materyal na dating itinuturing na magkahiwalay. “

Si Janet, na ginugol ang karamihan sa gawaing ito bilang batayan para sa kanyang disertasyon ng doktor, ay nagsabi: “Ang mga bahaging ito ay hindi magastos, madaling gawin at napakabilis na magtipun-tipon, at nakakakuha ka ng isang hanay ng mga pag-aari sa isang sistema. Lahat sila ay katugma sa bawat isa, kaya mayroong lahat ng iba’t ibang uri ng mga kakaibang katangian, ngunit lahat sila ay mahusay na naglalaro sa bawat isa sa parehong nasusukat na murang sistema. “

“Isipin ang lahat ng mga solidong bahagi at gumagalaw na mga bahagi ng mga kotse, robot, bangka at eroplano,” sabi ni Gerschenfeld. “At maaari nating saklawin ang lahat ng ito sa isang sistema.”

Ang pangunahing kadahilanan ay ang isang istraktura na binubuo ng isang uri ng mga voxel na ito ay kikilos nang eksakto tulad ng subunit mismo, sabi ni Janet. “Naipakita namin na ang mga kasukasuan ay mabisang nawala kapag nag-ipon kayo ng mga bahagi. Ito ay kumikilos tulad ng isang pagpapatuloy, isang materyal na monolitik. “

Habang ang pagsasaliksik ng robotics ay may kaugaliang hatiin sa pagitan ng matitigas at malambot na mga robot, “halos wala ito,” sabi ni Gerschenfeld, dahil sa kakayahang ihalo at itugma ang mga katangiang ito sa isang solong aparato.

Ang isang posibleng maagang aplikasyon ng teknolohiyang ito, sabi ni Janet, ay maaaring ang pagtatayo ng mga blades ng turbine ng hangin. Habang lumalaki ang mga istrukturang ito, ang pagdadala ng mga talim sa kanilang lugar ng pagpapatakbo ay naging isang pangunahing problema sa logistik, samakatuwid kung sila ay binuo mula sa libu-libong maliliit na mga yunit, ang gawaing ito ay maaaring gawin sa site na ito, na tinanggal ang problema sa transportasyon. Katulad nito, ang pagtatapon ng mga ginamit na blades ng turbine ay nagiging isang seryosong problema dahil sa kanilang malaking sukat at kawalan ng kakayahang magamit muli. Ngunit ang mga talim, na binubuo ng maliliit na mga voxel, ay maaaring disassembled nang lugar at pagkatapos ay muling ginamit ang mga voxel upang makagawa ng iba pa.

At bilang karagdagan, ang mga blades mismo ay maaaring maging mas mahusay dahil maaari silang magkaroon ng isang kumbinasyon ng mga mekanikal na katangian na isinasaalang-alang sa disenyo na nagpapahintulot sa kanila na tumugon nang pabagu-bago, pasibo sa mga pagbabago sa lakas ng hangin, sinabi niya.

Sa pangkalahatan, sinabi ni Janet, “Mayroon na tayong mura, nasusukat na system na ito, kaya maaari tayong magdisenyo ng anumang nais natin. Maaari tayong gumawa ng apat na paa, maaari tayong gumawa ng mga robot para sa paglangoy, maaari tayong gumawa ng mga robot na lumilipad. Ang kakayahang umangkop na ito ay isa sa mga pangunahing benepisyo ng system. “

Sinabi ni Stanford Lovins na ang teknolohiya ay “makakagawa ng murang, matibay at labis na magaan na mga flight sa hangin na passively at tuloy-tuloy na na-optimize ang kanilang hugis tulad ng pakpak ng isang ibon. Maaari din itong gumawa ng walang laman na mga kotse na halos lumapit sa kargamento habang ang kanilang istraktura ng pag-crash ay naging Maaari rin itong payagan ang mga spherical projectile, ang compressive na lakas na nagpapahintulot sa isang vacuum ball (walang helium) na lumulutang sa himpapawid upang maiangat ang isang dosenang kargang maraming maruming jet. “

Dagdag pa niya, “Tulad ng biomimicry at integrative na disenyo, ang bagong sining ng cellular metamaterial na ito ay isang napakalakas na bagong tool na makakatulong sa amin na gumawa ng mas marami at mas kaunti.”

Sanggunian: “Maingat na nakolekta ang mga mekanikal na metamaterial” nina Benjamin Janet, Christopher Cameron, Philip Tourmalumis, Alfonso Par Rubio, Megan Ochalek at Neil Gerschenfeld, Nobyembre 18, 2020, Mga pagsulong sa agham.
DOI: 10.1126 / sciadv.abc9943

Kasama sa pangkat ng pagsasaliksik sina Philipas Turlamusis, Alfonso Parra Rubio at Megan Achalek ng Massachusetts Institute of Technology, pati na rin si Christopher Cameron ng US Army Research Laboratory. Sinuportahan ang trabaho NASA, US Army Research Laboratory at Center for Bits and Atoms.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Pinagbubuti ng bagong disenyo ang kahusayan ng mga susunod na henerasyong Perovskite solar panel

May-akda David L. Chandler, Massachusetts Institute of Technology Pebrero 27, 2021 Ipinapakita ng imaheng ito ang mga photovoltaic compound ng pereuskite na may mga indibidwal na...

Sinabi ng mga mananaliksik na natuklasan nila ang mga misteryo ng mga buwan ng Mars

Ang artista ay maaaring pinagmulan ng pilosopiya at ang pagkamatay ng hidwaan sa pagitan ng unang buwan ng Mars at mga asteroid. Kredito:...

Mga pagkakasunud-sunod ng 64 Perpektong Mga Genome ng Tao upang mas mahusay na makuha ang pagkakaiba-iba ng genetiko

Gusali ng genome. Utang: NIH Ang Susunod na Mga Genome ng Tao ay Magsisilbing isang Bagong Sanggunian para sa Pagpaplano ng Genetic Genetic at...

Patuloy na sinusubaybayan ng bagong patch ng balat ang mga signal ng cardiovascular at antas ng biochemical

Ang malambot na nababanat na patch na ito ay maaaring sabay na kontrolin ang presyon ng dugo at antas ng biochemical ng isang gumagamit....

Ang unang pandaigdigang pagtatantya na ang kalikasan ay gumagamot ng 41.7 milyong toneladang basura ng tao sa isang taon

Ipinapakita ng larawang ito ang hindi ginagamot na dumi sa alkantarilya malapit sa mga pakikipag-ayos sa Peri-urban Hyderabad. Kredito: Tishat Poonthu Ayon sa mga...

Newsletter

Subscribe to stay updated.