“Mechanické materiály”. Všestranné stavební bloky vytvářejí struktury s úžasnými mechanickými vlastnostmi

Autor:

Vědci z centrální banky vytvořili čtyři různé typy nových členění zvaných voxely (3D modifikace 2D obrazových pixelů). Zleva doprava: plná (šedá), odpovídající (fialová), oxetická (oranžová), ruční (modrá). Půjčka:
Obrázek: Benjamin ennet, CB

Členění lze roboticky sestavit tak, aby vznikly velké a složité objekty, včetně strojů, robotů nebo lopatek větrných turbín.

Výzkumní pracovníci na adrese: S:Centrum hořkých atomů vytvořilo drobné stavební materiály, které vykazují řadu jedinečných mechanických vlastností, jako je schopnost generovat rotační pohyb během komprese. Tyto jednotky mohou být sestaveny malými roboty do téměř nekonečné řady objektů s vestavěnou funkčností, včetně vozidel, velkých průmyslových jednotek nebo specializovaných robotů, které mohou být sestaveny vícekrát různými koňmi.

Vědci vytvořili čtyři různé typy podjednotek zvaných voxely (3D modifikace na pixely 2D obrazu). Každý typ vosku má specifické vlastnosti, které nejsou typické pro přírodní materiály; lze je společně použít k výrobě zařízení, která předvídatelným způsobem reagují na podněty prostředí. Příkladem mohou být křídla letadla nebo lopatky turbíny, které reagují na změny tlaku vzduchu nebo rychlosti větru změnou celkového výkonu.

Zjištění, která podrobně popisují vytvoření skupiny diskrétních „mechanických materiálů“, jsou popsána v roce 2020. V článku publikovaném v časopise 18. listopadu Pokrok ve vědě, jehož autorem je Benjamin Ennet, Ph.D. 20, čerstvý absolvent MIT, profesor Neil Gershenfeld a čtyři další.

„Tato pozoruhodná, zásadní a krásná syntéza slibuje revoluci v nákladové efektivitě logistiky, pohodlí a funkční efektivnosti,“ uvedla Amory Lowins, profesorka civilního a environmentálního inženýrství na Stanfordské univerzitě a spoluzakladatelka Rocky Mountain Institute. s prací.

Metamateriály: získat jejich jméno, protože jejich vlastnosti ve velkém měřítku se liší od mikroúrovňových vlastností složek. Používají se v elektromagnetismu jako „architektonické“ materiály navržené na úrovni jejich mikrostruktury. „Ale pro vytvoření makroskopických mechanických vlastností jako metadat se toho moc neurobilo,“ říká Gerschenfeld.

Podle tohoto přístupu musí být inženýři schopni postavit struktury, které zahrnují širokou škálu materiálových vlastností – vyrábět je všechny pomocí stejných výrobních – montážních procesů, říká Gerschenfeld.

Voxel se sestavuje z plochých rámů vstřikovaných polymerů a poté se sestavuje do trojrozměrných vajec, která lze připojit k větším funkčním strukturám. Jsou to většinou otevřený prostor, takže po sestavení poskytují extrémní světlo, ale tuhý rám. Kromě základní tuhé jednotky, která poskytuje jedinečnou kombinaci pevnosti a nízké hmotnosti, existují další tři varianty tohoto vosku, každá s různými neobvyklými vlastnostmi.

“Oxet” voxely mají zvláštní vlastnost, ve které je krychle materiálu ve skutečnosti konvexní zevnitř, místo aby při stlačení vycházela ze stran. Toto je první ukázka takového materiálu vyrobeného obvyklým levným způsobem výroby obyčejného materiálu.

Existují také „odpovídající“ voxely s nulovým Poissonovým poměrem, který je poněkud podobný oxetické vlastnosti, ale v tomto případě, když je materiál stlačen, strany vůbec nezmění tvar. Méně známé materiály ukazují tuto vlastnost, kterou lze nyní vyrobit pomocí tohoto nového přístupu.

Nakonec chirální voxel reaguje na stlačení nebo napnutí klávesy rotujícím pohybem. Toto je opět neobvyklá vlastnost. Studie, která produkovala jeden takový materiál přípravou složitých materiálů, byla v loňském roce považována za významný nález. Díky této práci je tato funkce snadno dostupná v makroskopickém měřítku.

„Každý druh hmotného majetku, který ukážeme, měl v minulosti své vlastní pole,“ říká Gershenfeld. „Lidé právě na tomto pozemku psali papíry. Toto je první věc, která ukazuje každému v jediném systému. “

Skutečný potenciál velkých objektů postavených pro měření hmotnosti jako LEGO Z těchto sériově vyráběných vosků vytvořil tým ve spolupráci s inženýry společnosti Toyota funkční závod supercars, který předvedli na trati rece na mezinárodní konferenci o robotice začátkem tohoto roku.

Were Enet říká, že dokázali sestavit lehkou a výkonnou strukturu za pouhý měsíc, zatímco vytvoření srovnatelné struktury pomocí konvenčních metod ze skleněných vláken trvalo rok.

Během závodu byla silnice hladká od deště, závod skončil závorou. K překvapení všech zúčastněných byla vnitřní struktura podobná automobilu zdeformována a poté se vrátila, přičemž tlumila náraz s malým poškozením. Ally Enet říká, že konvenčně vyráběné auto by bylo pravděpodobně velmi ozubené, pokud by bylo vyrobené z kovu, nebo by se rozdrtilo, kdyby bylo vyrobeno z kompozitu.

Stroj ukázal pozoruhodnou skutečnost, že tyto malé části lze skutečně použít k výrobě funkčních zařízení v měřítku lidské velikosti. A Gershenfeld podotýká, že ve struktuře vozu „to nejsou součásti jiných věcí. Všechno není nic jiného než tyto části “, kromě motorů: napájení.

Protože voxel má jednotnou velikost a složení, lze jej libovolně kombinovat, aby výsledné zařízení poskytlo různé funkce. „Můžeme pokrýt širokou škálu materiálových vlastností, které byly dosud považovány za vysoce specializované,“ říká Gerschenfeld. „Jde o to, že si nemusíte vybrat jednu vlastnost. Můžete si například vyrobit roboty, kteří se opírají jedním směrem, jsou pevní v jiném směru a pohybují se pouze určitými směry. A tak velkou změnou v naší předchozí práci je schopnost šířit mnoho vlastností mechanického materiálu, které byly dosud považovány za izolované. “

Work Enet, který většinu této práce založil na své disertační práci, říká: „Tyto díly jsou levné, snadno se vyrábějí, sestavují se velmi rychle, tuto sadu vlastností získáte v jednom systému. Všechny jsou navzájem kompatibilní, takže existují všechny tyto různé typy exotických vlastností, ale všechny spolu dobře fungují ve stejném rozsáhlém a levném systému. “

„Přemýšlejte o všech pevných částech, pohyblivých částech v automobilech, robotech, lodích a letadlech,“ říká Gershenfeld. „A můžeme to všechno udělat prostřednictvím tohoto jediného systému.“

Klíčem je, že struktura tohoto typu voxelu se bude chovat stejně jako samotná jednotka, říká en enet. „Dokázali jsme ukázat, že klouby účinně zmizí, když dáte díly dohromady. Chová se jako souvislý monolitický materiál. “

Přestože se robotický výzkum rozdělil na tvrdé „měkké roboty“, „není to ani jeden,“ říká Gerschenfeld, „protože je možné tyto vlastnosti kombinovat do jednoho zařízení.“

Jedním z možných časných použití této technologie, říká En Enet, může být výroba lopatek větrných turbín. Vzhledem k tomu, že se tyto struktury zvětšují a zvětšují, přesunutí nožů na místo jejich provozu se stává vážným logistickým problémem, zatímco pokud jsou sestaveny z tisíců malých pododdělení, lze to provést na místě, což eliminuje problém s přepravou. Podobně se odstraňování použitých lopatek turbíny již stává vážným problémem kvůli jejich velkým rozměrům a nedostatečné recyklovatelnosti. Čepele vyrobené z malých vosků však bylo možné na místě demontovat, a pak byly vosky znovu použity k výrobě něčeho jiného.

Kromě toho mohou být samotné lopatky efektivnější, protože mohou mít do konstrukce navrženy kombinace mechanických vlastností, které jim umožní dynamicky a pasivně reagovat na změny síly větru, říká.

Obecně platí, že en enet říká. „Nyní máme tento levný a rozsáhlý systém, takže si můžeme navrhnout, co chceme. Můžeme dělat čtyřnožce, můžeme dělat plovoucí roboty, můžeme létat roboty. Tato flexibilita je jednou z hlavních výhod systému. “

Stanford Lowins říká, že tato technologie „může vytvářet levné, odolné a neobvykle lehké povrchy letenek, které pasivně a průběžně optimalizují vajíčka jako ptačí hnízdo.“ To může způsobit, že se prázdná masa automobilů přiblíží svému nákladu, protože z jejich křehké struktury se stává hlavně vzduch. „Může dokonce umožnit vystřelení nábojů, jejichž drtivá síla umožňuje vzestupu vakuové bubliny (bez helia) v atmosféře, aby se několikanásobně zvýšila čistá zátěž trysky jumbo.“

On přidává: „Stejně jako design pro integraci biomimiků je i toto nové umění mobilních meta produktů mocným novým nástrojem, který nám pomůže udělat více za méně peněz.“

Odkaz. Benjamin ennet, Christopher Cameron, Filippos Tourlomousis, Alfonso Parra Rubio, Megan Ochalek և Neil Gershenfeld „Individuálně shromažďované mechanické materiály“, 2020 18. listopadu Pokrok ve vědě,
DOI: 10.1126 / sciadv.abc9943:

Výzkumný tým zahrnoval Filippos Turlomusis, Alfonso Parra Rubio, Megan Ochalek z MIT a Christopher Cameron z US Army Research Laboratory. Podporoval práci NASA, US Army Research Laboratory իթ Bitter և Atom Consortium Center.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Proč jsou metody distribuce vakcín COVID-19 krátké + 3 způsoby, jak je vylepšit

Objevilo se několik návrhů, jak distribuovat COVID-19 vakcíny, ale nezajistí spravedlivé rozdělení vakcíny. Tým, který zahrnuje Nicole Hassoun, profesorku na Binghamton University, navrhuje...

Obstrukční spánková apnoe je běžná u lidí s kognitivními poruchami – je léčitelná

Léčitelná porucha spánku, která je běžná u lidí s poruchami myšlení a paměti. K obstrukční spánkové apnoe dochází, když je během spánku dýchání opakovaně přerušováno....

Kvantové tunelování v grafenu posouvá éru vysokorychlostní bezdrátové komunikace Terahertz

Kvantové tunelování. Půjčka: Tisková kancelář Daria Sokol / MIPT Vědci z MIPT, Moskevské státní pedagogické univerzity a univerzity v Manchesteru vyvinuli velmi citlivý terahertzový...

Využití vibračních molekul ke studiu vlnových vlastností hmoty

Molekulární ionty HD + (páry žlutých a červených bodů) v iontové pasti (šedé) jsou ozářeny laserovou vlnou (červená). To vede k kvantovým skokům,...

Kampaň NASA SnowEx kopání hluboko v roce 2021

Měření sněhu se může zdát jednoduché, ale každé prostředí představuje pro přístroje jedinečné výzvy. Například sněžení v lesích se zachytává na větvích nebo...

Newsletter

Subscribe to stay updated.