Material Inspired By Chain Mail 777x393 1 2
Thông tin công nghệ

Vật liệu mới sáng tạo lấy cảm hứng từ Chuỗi thư chuyển đổi từ linh hoạt sang cứng nhắc khi ra lệnh

Các kỹ sư đã phát triển một loại vật liệu lấy cảm hứng từ dây chuyền có thể biến đổi từ trạng thái có thể gập lại, giống như chất lỏng thành các hình dạng rắn cụ thể dưới áp lực. Tín dụng: Caltech

Các kỹ sư tại Caltech và JPL đã phát triển một loại vật liệu lấy cảm hứng từ dây xích có thể biến đổi từ trạng thái có thể gập lại, giống như chất lỏng thành các hình dạng rắn cụ thể dưới áp lực.

Theo Chiara Daraio, Giáo sư G. Bradford Jones của Caltech, vật liệu này có các ứng dụng tiềm năng như một loại vải thông minh cho bộ xương ngoài, hoặc như một vật đúc thích ứng để điều chỉnh độ cứng của nó khi vết thương lành lại, hoặc thậm chí như một cây cầu có thể triển khai có thể được cuộn lại và cứng lại, theo Chiara Daraio, Giáo sư G. Bradford Jones của Caltech của Kỹ thuật Cơ khí và Vật lý Ứng dụng và tác giả tương ứng của một nghiên cứu mô tả vật liệu đã được công bố trên tạp chí Nature vào ngày 11 tháng 8.

Chúng tôi muốn tạo ra vật liệu có thể thay đổi độ cứng theo lệnh, ”Daraio nói. “Chúng tôi muốn tạo ra một loại vải từ mềm và có thể gấp lại đến cứng và chịu tải một cách có thể kiểm soát được.” Một ví dụ từ văn hóa đại chúng là chiếc áo choàng của Người Dơi trong bộ phim Batman Begins năm 2005, nói chung là linh hoạt nhưng có thể được làm cứng theo ý muốn khi Caped Crusader cần nó như một bề mặt lướt.

Một vật liệu được làm từ các khối bát diện liên kết. Tín dụng: Caltech

Các vật liệu thay đổi thuộc tính theo những cách tương tự đã tồn tại xung quanh chúng ta, Daraio lưu ý. “Hãy nghĩ về cà phê được đựng trong túi hút chân không. Khi vẫn được đóng gói, nó ở trạng thái rắn, thông qua một quá trình mà chúng tôi gọi là ‘làm kẹt’. Nhưng ngay sau khi bạn mở gói, bã cà phê không còn dính vào nhau nữa và bạn có thể đổ chúng như thể chúng là một chất lỏng, ”cô nói.

Bã cà phê và các hạt cát riêng lẻ có hình dạng phức tạp nhưng rời rạc, và chỉ có thể bị kẹt khi nén lại. Tuy nhiên, các tấm của các vòng được liên kết có thể kẹt lại với nhau dưới cả lực nén lực căng (khi bị đẩy vào nhau hoặc bị kéo ra xa nhau). “Đó là chìa khóa,” Daraio nói. “Chúng tôi đã thử nghiệm một số hạt để xem hạt nào cung cấp cả tính linh hoạt và độ cứng có thể điều chỉnh được, và hạt nào chỉ bị kẹt dưới một loại ứng suất có xu hướng hoạt động kém hơn.”

Để khám phá những vật liệu nào sẽ hoạt động tốt nhất, Daraio, cùng với cựu nghiên cứu sinh sau tiến sĩ của Caltech, Yifan Wang và cựu nghiên cứu sinh Caltech, Liuchi Li (PhD ’19) với tư cách là đồng tác giả của bài báo Nature , đã thiết kế một số cấu hình của các hạt liên kết, từ liên kết các vòng để liên kết các hình khối với liên kết các khối bát diện (giống như hai kim tự tháp nối với nhau ở đáy). Các vật liệu được in 3-D từ polyme và thậm chí cả kim loại, với sự giúp đỡ của Douglas Hofmann, nhà khoa học chính tại JPL, mà Caltech quản lý cho NASA . Các cấu hình này sau đó được mô phỏng trong máy tính với mô hình từ nhóm của José E. Andrade, Giáo sư Kỹ thuật Cơ khí và Dân dụng George W. Housner và là chuyên gia thường trú của Caltech trong lĩnh vực mô hình hóa vật liệu dạng hạt.

Kiểm tra khả năng chịu va đập của vật liệu khi chưa đóng băng (mềm). Tín dụng: Caltech
Kiểm tra khả năng chịu va đập của vật liệu khi bị kẹt (cứng). Tín dụng: Caltech

“Vật liệu dạng hạt là một ví dụ tuyệt đẹp về các hệ thống phức tạp, nơi các tương tác đơn giản ở quy mô hạt có thể dẫn đến hành vi phức tạp về mặt cấu trúc. Trong ứng dụng chuỗi thư này, khả năng chịu tải kéo ở quy mô hạt là yếu tố thay đổi cuộc chơi. Nó giống như có một chuỗi có thể mang tải trọng nén. Andrade nói, khả năng mô phỏng các hành vi phức tạp như vậy sẽ mở ra cánh cửa cho thiết kế và hiệu suất cấu trúc phi thường.

Các kỹ sư đã áp dụng một ứng suất bên ngoài, nén các loại vải bằng cách sử dụng buồng chân không hoặc bằng cách thả một quả nặng để kiểm soát sự kẹt của vật liệu. Trong một thí nghiệm, một loại vải sợi xích có khóa chân không có thể chịu được khối lượng 1,5 kg, gấp hơn 50 lần trọng lượng của loại vải này. Các loại vải cho thấy sự thay đổi lớn nhất về tính chất cơ học (từ mềm dẻo đến cứng) là những loại vải có số lượng tiếp xúc trung bình lớn hơn giữa các hạt, chẳng hạn như các vòng và hình vuông liên kết, giống với chuỗi thư thời Trung cổ.

“Những loại vải này có những ứng dụng tiềm năng trong thiết bị đeo thông minh: khi không bị gài, chúng nhẹ, phù hợp và thoải mái khi mặc; Wang, hiện là trợ lý giáo sư tại Đại học Công nghệ Nanyang ở Singapore, cho biết sau quá trình chuyển đổi gây nhiễu, chúng trở thành một lớp bảo vệ và nâng đỡ trên cơ thể người mặc.

Khi cứng lại, vật liệu có khả năng hoạt động như một cây cầu vững chắc. Tín dụng: Caltech

Trong ví dụ về một cây cầu có thể được cuộn lại và sau đó được lái ngang qua, Daraio hình dung dây cáp chạy qua vật liệu sau đó thắt chặt để làm kẹt các hạt. Cô nói: “Hãy nghĩ về những sợi cáp này giống như những sợi dây rút trên một chiếc áo hoodie, và lưu ý rằng hiện cô đang khám phá sơ đồ cáp này và các khả năng khác.

Trong công việc song song về cái gọi là bề mặt thông minh, là bề mặt có thể thay đổi hình dạng thành các cấu hình cụ thể theo ý muốn, Daraio, cùng với học giả hậu tiến sĩ Ke Liu và sinh viên đến thăm Felix Hacker, gần đây đã trình diễn một phương pháp điều khiển hình dạng của bề mặt bằng cách nhúng mạng. chất đàn hồi tinh thể lỏng phản ứng với nhiệt (LCE), các dải polyme mỏng co lại khi bị nung nóng. Các LCE này chứa các cuộn dây nhiệt có thể co giãn có thể được tích điện bằng dòng điện, làm chúng nóng lên và khiến chúng co lại. Khi các LCE co lại, họ kéo vật liệu mềm dẻo mà chúng được nhúng vào và nén nó thành một hình dạng rắn được thiết kế trước.

Công trình đó, được xuất bản vào ngày 7 tháng 4 trên tạp chí Science Robotics , có thể hữu ích cho việc hợp tác từ xa, trong đó cần có một thành phần vật lý của sự hợp tác, các thiết bị y tế và haptics (sử dụng công nghệ để mô phỏng cảm giác vật lý cho thực tế ảo). Tiếp theo, nhóm có kế hoạch thu nhỏ và tối ưu hóa thiết kế của cả vải có cấu trúc và hệ thống thông minh để đưa chúng đến gần hơn với các ứng dụng thực tế.

Người giới thiệu:

“Vải có cấu trúc với các đặc tính cơ học có thể điều chỉnh được” của Yifan Wang, Liuchi Li, Douglas Hofmann, José E. Andrade và Chiara Daraio, 11 tháng 8 năm 2021, Nature .
DOI: 10.1038 / s41586-021-03698-7

“Các bề mặt robot với khả năng điều khiển không gian, có thể đảo ngược để biến đổi hình dạng và thao tác vật thể” của Ke Liu, Felix Hacker và Chiara Daraio, ngày 7 tháng 4 năm 2021, Science Robotics .
DOI: 10.1126 / scirobotics.abf5116

Tờ Nature có tiêu đề “Các loại vải có cấu trúc với các đặc tính cơ học có thể điều chỉnh được”. Nghiên cứu được hỗ trợ bởi Quỹ Đổi mới Không gian Foster và Coco Stanback tại Caltech, Facebook và Văn phòng Nghiên cứu Quân đội.

Bài báo Science Robotics có tiêu đề “Các bề mặt robot với khả năng điều khiển không gian, có thể đảo ngược để biến đổi hình dạng và thao tác đối tượng”. Nghiên cứu được tài trợ bởi Quỹ Khoa học Quốc gia và Văn phòng Nghiên cứu Quân đội.

Theo Scitechdaily

What's your reaction?

Excited
0
Happy
0
In Love
0
Not Sure
0

You may also like

Leave a reply

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Website này sử dụng Akismet để hạn chế spam. Tìm hiểu bình luận của bạn được duyệt như thế nào.