Hình thái máy bay không người lái mới từ mặt đất đến phương tiện hàng không sử dụng kim loại lỏng

Hãy tưởng tượng một chiếc xe tự hành nhỏ có thể lái trên đất liền, dừng lại và tự làm phẳng thành một chiếc quadcopter. Các cánh quạt bắt đầu quay và chiếc xe bay đi. Nhìn kỹ hơn, bạn nghĩ bạn sẽ thấy gì? Cơ chế nào đã khiến nó biến hình từ một phương tiện trên cạn thành một chiếc quadcopter bay? Bạn có thể tưởng tượng bánh răng và dây đai, có lẽ là một loạt các động cơ servo nhỏ đã kéo tất cả các phần của nó vào đúng vị trí.

Xem Video

Nếu cơ chế này được thiết kế bởi một nhóm tại Virginia Tech do Michael Bartlett, trợ lý giáo sư về kỹ thuật cơ khí đứng đầu, bạn sẽ thấy một cách tiếp cận mới để thay đổi hình dạng ở cấp độ vật liệu. Các nhà nghiên cứu này sử dụng cao su, kim loại và nhiệt độ để biến đổi vật liệu và cố định chúng vào vị trí mà không cần động cơ hoặc ròng rọc. Nghiên cứu của nhóm đã được đăng trên Science Robotics . Đồng tác giả của bài báo bao gồm các nghiên cứu sinh Dohgyu Hwang và Edward J. Barron III và nhà nghiên cứu sau tiến sĩ ABM Tahidul Haque.

Lấy lại vóc dáng

Thiên nhiên phong phú với các sinh vật thay đổi hình dạng để thực hiện các chức năng khác nhau. Bạch tuộc thay đổi hình dạng đáng kể để di chuyển, ăn uống và tương tác với môi trường; con người uốn dẻo các cơ để hỗ trợ tải trọng và giữ hình dạng; và thực vật di chuyển để thu nhận ánh sáng mặt trời trong suốt cả ngày. Làm thế nào để bạn tạo ra một vật liệu đạt được những chức năng này để kích hoạt các loại rô bốt biến hình đa chức năng mới?

Bartlett nói: “Khi chúng tôi bắt đầu dự án, chúng tôi muốn một vật liệu có thể làm được ba điều: thay đổi hình dạng, giữ hình dạng đó, sau đó quay trở lại cấu hình ban đầu và thực hiện điều này trong nhiều chu kỳ. “Một trong những thách thức là tạo ra một vật liệu đủ mềm để thay đổi hình dạng một cách đáng kể, nhưng đủ cứng để tạo ra những cỗ máy thích ứng có thể thực hiện các chức năng khác nhau.”

Để tạo ra một cấu trúc có thể biến hình, nhóm nghiên cứu đã chuyển sang kirigami, nghệ thuật tạo hình từ giấy của Nhật Bản bằng cách cắt. (Phương pháp này khác với origami, sử dụng cách gấp.) Bằng cách quan sát độ bền của các mẫu kirigami đó trong cao su và vật liệu tổng hợp, nhóm đã có thể tạo ra một kiến trúc vật liệu của một mô hình hình học lặp lại.

Tiếp theo, họ cần một vật liệu có thể giữ hình dạng nhưng cho phép xóa hình dạng đó theo yêu cầu. Tại đây, họ đã giới thiệu một bộ xương nội soi được làm bằng hợp kim có nhiệt độ nóng chảy thấp (LMPA) được nhúng bên trong một lớp da cao su. Thông thường, khi một kim loại bị kéo căng quá mức, kim loại đó sẽ vĩnh viễn bị cong, nứt hoặc bị kéo căng thành một hình dạng cố định, không thể sử dụng được. Tuy nhiên, với kim loại đặc biệt này được nhúng trong cao su, các nhà nghiên cứu đã biến cơ chế hỏng hóc điển hình này thành một thế mạnh. Khi kéo dài, composite này sẽ nhanh chóng giữ được hình dạng mong muốn, hoàn hảo cho các vật liệu biến hình mềm có thể trở nên chịu tải ngay lập tức.

Cuối cùng, vật liệu đã phải đưa cấu trúc trở lại hình dạng ban đầu. Ở đây, nhóm nghiên cứu đã kết hợp các bộ gia nhiệt mềm, giống như tua rua bên cạnh lưới LMPA. Lò sưởi làm cho kim loại chuyển đổi thành chất lỏng ở 60 độ C (140 độ F ), hoặc 10 phần trăm nhiệt độ nóng chảy của nhôm. Da đàn hồi giữ cho kim loại nóng chảy được chứa và ở đúng vị trí, sau đó kéo vật liệu trở lại hình dạng ban đầu, đảo ngược sự kéo căng, tạo cho composite cái mà các nhà nghiên cứu gọi là “tính dẻo có thể đảo ngược”. Sau khi kim loại nguội đi, nó lại góp phần giữ hình dạng của cấu trúc.

“Những vật liệu tổng hợp này có một bộ xương bên trong bằng kim loại được nhúng vào cao su với bộ gia nhiệt mềm, nơi các vết cắt lấy cảm hứng từ kirigami xác định một loạt các chùm kim loại. Hwang nói.

Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng thiết kế tổng hợp lấy cảm hứng từ kirigami này có thể tạo ra các hình dạng phức tạp, từ hình trụ đến quả bóng cho đến hình dạng gập ghềnh của đáy quả tiêu. Thay đổi hình dạng cũng có thể đạt được nhanh chóng: Sau khi tác động với một quả bóng, hình dạng thay đổi và cố định vào vị trí trong vòng chưa đầy 1/10 giây. Ngoài ra, nếu vật liệu bị vỡ, nó có thể được chữa lành nhiều lần bằng cách làm tan chảy và tái tạo khung nội soi kim loại.

Một máy bay không người lái dành cho đất liền và trên không, một máy bay trên biển

Các ứng dụng cho công nghệ này chỉ mới bắt đầu được mở ra. Bằng cách kết hợp vật liệu này với sức mạnh, điều khiển và động cơ trên tàu, nhóm đã tạo ra một chiếc máy bay không người lái chức năng tự động biến hình từ mặt đất thành phương tiện trên không. Nhóm nghiên cứu cũng tạo ra một chiếc tàu ngầm nhỏ, có thể triển khai, sử dụng quá trình biến đổi và quay trở lại của vật liệu để lấy các vật thể từ bể cá bằng cách cạo phần bụng của tàu con dọc theo đáy.

“Chúng tôi rất vui mừng về những cơ hội mà vật liệu này mang lại cho các robot đa chức năng. Những vật liệu tổng hợp này đủ mạnh để chịu được lực từ động cơ hoặc hệ thống đẩy, nhưng có thể dễ dàng tạo hình dạng biến đổi, cho phép máy móc thích nghi với môi trường của chúng, ”Barron nói.

Trong tương lai, các nhà nghiên cứu hình dung vật liệu tổng hợp biến hình đóng một vai trò trong lĩnh vực robot mềm đang nổi lên để tạo ra những cỗ máy có thể thực hiện các chức năng đa dạng, tự phục hồi sau khi bị hư hỏng để tăng khả năng phục hồi và thúc đẩy các ý tưởng khác nhau trong giao diện người-máy và thiết bị đeo. .

Tham khảo: “Tạo hình siêu vật liệu cơ học thông qua tính dẻo có thể đảo ngược” của Dohgyu Hwang, Edward J. Barron III, ABM Tahidul Haque và Michael D. Bartlett, ngày 9 tháng 2 năm 2022, Science Robotics .
DOI: 10.1126 / scirobotics.abg2171

Dự án này được tài trợ thông qua Giải thưởng Khoa trẻ DARPA của Bartlett và Học bổng của Giám đốc.

Theo Scitechdaily