Исследователи из Центра битов и атомов Массачусетского технологического института создали крошечные строительные блоки, которые демонстрируют множество уникальных механических свойств, таких как способность производить вращательное движение при сжатии. Эти субъединицы потенциально могут быть собраны крошечными роботами в практически безграничное множество объектов со встроенной функциональностью, включая транспортные средства, крупные промышленные детали или специализированных роботов, которые можно многократно повторно собирать в различных формах.
Исследователи создали четыре различных типа этих субъединиц, называемых вокселями (трехмерная вариация пикселей двухмерного изображения). Каждый тип вокселей демонстрирует особые свойства, не присущие типичным натуральным материалам, и в сочетании их можно использовать для создания устройств, которые предсказуемо реагируют на раздражители окружающей среды. Примеры могут включать крылья самолета или лопасти турбины, которые реагируют на изменения давления воздуха или скорости ветра изменением своей общей формы.
Результаты, подробно описывающие создание семейства дискретных «механических метаматериалов», описаны в статье, опубликованной сегодня в журнале Science Advances, автором которой является недавний аспирант Массачусетского технологического института Бенджамин Дженетт, доктор философии. '20, профессор Нил Гершенфельд и еще четыре человека.
Метаматериалы получили свое название, потому что их крупномасштабные свойства отличаются от микроуровневых свойств составляющих их материалов. Они используются в электромагнетизме и в качестве «архитектурных» материалов, которые разрабатываются на уровне их микроструктуры. «Но для создания макроскопических механических свойств метаматериала сделано не так много», - говорит Гершенфельд.
По словам Гершенфельда, при таком подходе инженеры должны иметь возможность создавать конструкции, включающие широкий спектр свойств материалов, и производить их все с использованием одних и тех же общих процессов производства и сборки.
Воксели собираются из частей плоского каркаса из полимеров, полученных литьем под давлением, затем объединяются в трехмерные формы, которые можно объединять в более крупные функциональные структуры. В основном они имеют открытое пространство и поэтому в собранном виде обеспечивают чрезвычайно легкий, но жесткий каркас. Помимо базового жесткого элемента, который обеспечивает исключительное сочетание прочности и легкого веса, есть еще три варианта этих вокселей, каждый из которых обладает различными необычными свойствами.
«Ауксетические» воксели обладают странным свойством, при котором куб материала при сжатии вместо того, чтобы выпирать по бокам, фактически выпирает внутрь. Это первая демонстрация такого материала, полученного обычными и недорогими методами производства.
Есть также «податливые» воксели с нулевым коэффициентом Пуассона, что в некоторой степени похоже на ауксетическое свойство, но в этом случае, когда материал сжимается, стороны вообще не меняют форму. Немногие известные материалы демонстрируют это свойство, которое теперь можно получить с помощью этого нового подхода.
Наконец, «хиральные» воксели реагируют на осевое сжатие или растяжение скручивающим движением. Опять же, это необычное свойство; Исследование, в ходе которого был получен один такой материал с помощью сложных технологий изготовления, в прошлом году было признано важным открытием. Эта работа делает это свойство легко доступным в макроскопических масштабах.
«Каждый тип свойств материала, который мы показываем, ранее был отдельным полем», - говорит Гершенфельд. «Люди будут писать статьи только об этом одном свойстве. Это первое, что показывает их все в единой системе».
Чтобы продемонстрировать реальный потенциал больших объектов, построенных в стиле LEGO из этих серийно выпускаемых вокселей, команда в сотрудничестве с инженерами Toyota создала функциональный гоночный автомобиль с большим пробегом, который они продемонстрировали в улицы во время международной конференции по робототехнике в начале этого года.
По словам Дженетт, они смогли собрать легкую и высокоэффективную конструкцию всего за месяц, тогда как строительство сопоставимой конструкции с использованием обычных методов строительства из стекловолокна ранее занимало год.
Во время демонстрации улицы были скользкими от дождя, и гоночный автомобиль врезался в преграду. К удивлению всех участников, решетчатая внутренняя структура автомобиля деформировалась, а затем отскочила назад, поглотив удар с небольшими повреждениями. По словам Дженетт, автомобиль традиционной постройки, скорее всего, был бы сильно помят, если бы был сделан из металла, или разбился бы, если бы он был композитным.
Автомобиль стал яркой демонстрацией того факта, что из этих крошечных деталей действительно можно создавать функциональные устройства в масштабе человеческого роста. И, как отмечает Гершенфельд, в конструкции автомобиля «эти части не связаны с чем-то еще. Все сделано только из этих частей», за исключением двигателей и источника питания.
Поскольку воксели одинаковы по размеру и составу, их можно комбинировать любым способом, необходимым для обеспечения различных функций конечного устройства.
«Мы можем охватить широкий диапазон свойств материалов, которые раньше считались очень специализированными», - говорит Гершенфельд. "Дело в том, что вам не нужно выбирать одно свойство. Вы можете сделать, например, роботов, которые изгибаются в одном направлении, а в другом - жесткие и двигаются только определенным образом. Итак, большое изменение по сравнению с нашей предыдущей работой - это способность охватывать несколько механических свойств материала, которые до сих пор рассматривались изолированно ».
Дженетт, который выполнил большую часть этой работы в качестве основы для своей докторской диссертации, говорит, что «эти детали недорогие, легко производятся и очень быстро собираются, и вы получаете весь этот набор свойств в одной системе. все они совместимы друг с другом, поэтому есть все эти различные типы экзотических свойств, но все они хорошо сочетаются друг с другом в одной масштабируемой недорогой системе ».
«Подумайте обо всех жестких и движущихся частях автомобилей, роботов, лодок и самолетов», - говорит Гершенфельд. «И мы можем охватить все это одной системой».
Ключевым фактором является то, что структура, состоящая из одного типа этих вокселей, будет вести себя точно так же, как и сама субъединица, говорит Дженетт. «Мы смогли продемонстрировать, что стыки фактически исчезают, когда вы собираете детали вместе. Он ведет себя как сплошной монолитный материал».
В то время как исследования робототехники, как правило, делятся на жестких и мягких роботов, «это ни то, ни другое», говорит Гершенфельд, из-за его способности смешивать и согласовывать эти свойства в одном устройстве.
По словам Дженетт, одним из первых возможных применений этой технологии может стать изготовление лопастей ветряных турбин. По мере того, как эти конструкции становятся все больше, транспортировка лопастей к месту их эксплуатации становится серьезной логистической проблемой, тогда как, если они собираются из тысяч крошечных подразделений, эту работу можно выполнять на месте, что устраняет проблему транспортировки. Точно так же утилизация использованных лопаток турбин уже становится серьезной проблемой из-за их большого размера и отсутствия возможности повторного использования. Но лезвия, состоящие из крошечных вокселей, можно было разобрать на месте, а затем использовать вокселы для чего-то еще.
Кроме того, сами лопасти могли бы быть более эффективными, потому что они могли бы обладать сочетанием механических свойств, заложенных в структуру, что позволило бы им динамически и пассивно реагировать на изменения силы ветра, - говорит он.
В целом, Дженетт говорит: «Теперь у нас есть эта недорогая масштабируемая система, поэтому мы можем проектировать все, что захотим. Мы можем делать четвероногих, мы можем делать плавающих роботов, мы можем делать летающих роботов. Эта гибкость является одним из ключевых преимущества системы ".