“Metamaterial Mekanis” – Blok Bangunan Serbaguna Membuat Struktur Dengan Sifat Mekanik Luar Biasa

Di

Peneliti CBA telah membuat empat jenis subtipe baru, yang disebut voxels (variasi 3D pada piksel gambar 2D). Dari kiri ke kanan: kaku (abu-abu), memenuhi standar (ungu), bantu (oranye), kiral (biru). “Kredit:
Gambar: Benjamin Jenett, CBA

Subunit dapat dirakit secara robotik untuk menghasilkan objek besar dan kompleks, termasuk mobil, robot, atau bilah turbin angin.

Mencari DenganCenter for Bits and Atoms telah menciptakan balok-balok kecil yang memperlihatkan berbagai sifat mekanik yang unik, seperti kemampuan menghasilkan gerakan torsi saat diremas. Subunit ini berpotensi dapat dirakit oleh robot kecil menjadi berbagai objek yang hampir tidak terbatas dengan fungsi terintegrasi, termasuk kendaraan, bagian industri besar, atau robot khusus yang dapat dirakit berulang kali menjadi berbagai bentuk.

Para peneliti telah membuat empat jenis subunit ini, yang disebut voxels (variasi 3D pada piksel gambar 2D). Setiap jenis voxel memiliki sifat khusus yang tidak ditemukan pada bahan alami yang khas, dan kombinasi tersebut dapat digunakan untuk membuat perangkat yang merespons rangsangan lingkungan dengan cara yang dapat diprediksi. Contohnya dapat mencakup sayap pesawat atau bilah turbin yang merespons perubahan tekanan udara atau kecepatan angin dengan mengubah bentuk keseluruhannya.

Hasilnya, yang merinci pembuatan keluarga “metamaterial mekanis” diskrit, dijelaskan dalam artikel yang diterbitkan pada 18 November 2020 di jurnal. Ilmu Pengetahuan Lanjut, penulis dari MIT PhD Benjamin Jenett PhD ’20 baru-baru ini, Profesor Neil Gershenfeld, dan empat orang lainnya.

“Sintesis yang luar biasa, mendasar, dan indah ini menjanjikan untuk merevolusi biaya, kemampuan beradaptasi, dan efisiensi fungsional dari struktur ultra ringan dan hemat material,” kata Amory Lovins, asisten profesor teknik sipil dan lingkungan di Universitas Stanford dan pendiri. dari Rocky Mountain Institute, yang tidak terkait dengan pekerjaan ini.

Metamaterial mendapatkan namanya karena sifat skala besarnya berbeda dari sifat lapisan mikro bahan komponennya. Mereka digunakan dalam elektromagnetik dan sebagai material “arsitektural”, yang dirancang pada tingkat mikrostrukturnya. “Tetapi tidak banyak yang telah dilakukan untuk menciptakan sifat mekanis makroskopis sebagai metamaterial,” kata Gershenfeld.

Dengan pendekatan ini, para insinyur harus mampu membangun struktur yang menggabungkan berbagai properti material – dan memproduksinya semua menggunakan proses produksi dan perakitan yang sama, kata Gershenfeld.

Voxel dirakit dari potongan panel datar polimer cetakan injeksi, kemudian digabungkan menjadi bentuk tiga dimensi yang dapat dirakit menjadi struktur fungsional yang lebih besar. Mereka sebagian besar adalah ruang terbuka dan oleh karena itu memberikan bingkai yang sangat ringan namun kaku saat dipasang. Selain unit kaku dasar, yang memberikan kombinasi kekuatan dan bobot ringan yang luar biasa, ada tiga variasi lain dari voxel ini, masing-masing dengan sifat tidak biasa yang berbeda.

Vokal “Auxetic” memiliki sifat aneh di mana sebuah kubus material, ketika dikompresi, bukannya menempel ke samping, malah menjorok ke dalam. Ini adalah demonstrasi pertama dari bahan semacam itu yang diproduksi dengan menggunakan metode manufaktur konvensional dan ekonomis.

Ada juga voxel yang “patuh”, dengan rasio Poisson nol, yang agak mirip dengan properti tambahan, tetapi dalam kasus ini, ketika material dikompresi, sisi-sisinya tidak berubah bentuk sama sekali. Beberapa bahan yang diketahui menunjukkan sifat ini, yang sekarang dapat diproduksi dengan pendekatan baru ini.

Terakhir, vokal “kiral” merespons kompresi atau perpanjangan aksial dengan gerakan torsi. Sekali lagi, ini adalah properti yang tidak biasa; penelitian yang telah menghasilkan bahan semacam itu dengan menggunakan teknik manufaktur yang kompleks dipuji tahun lalu sebagai penemuan yang signifikan. Pekerjaan ini membuat properti ini mudah diakses pada skala makroskopis.

“Setiap jenis properti material yang kami tunjukkan ada sebelum bidangnya sendiri,” kata Gershenfeld. “Orang-orang menulis surat kabar tentang properti itu. Itu hal pertama yang menunjukkan semuanya dalam satu sistem. “

Untuk mendemonstrasikan potensi dunia nyata dari benda-benda besar yang dibangun dengan cara seperti LEGO di luar voxel yang diproduksi secara massal ini, tim, bekerja sama dengan para insinyur Toyota, menghasilkan mobil balap fungsional jarak tempuh super. , yang berdemonstrasi di jalur penerimaan selama konferensi robotika internasional awal tahun ini.

Mereka mampu merakit struktur ringan dan berkinerja tinggi hanya dalam satu bulan, kata Jenett, sementara membangun struktur yang sebanding dengan menggunakan metode konstruksi fiberglass konvensional telah berlalu setahun sebelumnya.

Selama balapan, trek lambat karena hujan, dan mobil balap tersebut akhirnya menabrak penghalang. Yang mengejutkan semua yang terlibat, struktur internal berupa reticle mobil berubah bentuk dan kemudian terpental, menyerap guncangan dengan sedikit kerusakan. Mobil yang dibuat secara konvensional, kata Jenett, bisa terbunuh parah jika terbuat dari logam, atau hancur jika dibuat.

Mobil itu memberikan demonstrasi yang jelas tentang fakta bahwa suku cadang kecil ini sebenarnya dapat digunakan untuk membuat perangkat fungsional dalam skala seukuran manusia. Dan, Gershenfeld berkomentar, dalam struktur mobil, “mereka bukan bagian yang terhubung dengan yang lain. Semuanya dilakukan hanya dari bagian ini, ”kecuali mesin dan catu daya.

Karena voxel memiliki ukuran dan komposisi yang seragam, voxel dapat digabungkan dengan cara apa pun yang diperlukan untuk menyediakan fungsi yang berbeda untuk perangkat yang dihasilkan. “Kami dapat melihat berbagai properti material yang sebelumnya dianggap sangat terspesialisasi,” kata Gershenfeld. “Intinya adalah Anda tidak harus memilih properti. Anda dapat membuat, misalnya, robot yang menekuk ke satu arah dan kaku ke arah lain dan hanya bergerak dengan cara tertentu. Jadi, perubahan besar terus berlanjut. pekerjaan kami sebelumnya memiliki kemampuan untuk melintasi banyak properti material mekanis, yang sebelumnya dianggap terisolasi ”.

Jenett, yang telah melakukan sebagian besar pekerjaan ini sebagai dasar untuk disertasi doktoralnya, mengatakan, “suku cadang ini murah, mudah diproduksi, dan sangat cepat untuk dirakit, dan Anda mendapatkan berbagai properti ini dalam satu sistem. . Semuanya kompatibel satu sama lain, jadi ada semua jenis properti eksotis yang berbeda ini, tetapi semuanya berfungsi baik satu sama lain dalam sistem yang dapat diskalakan dan terjangkau. ”

“Pikirkan semua bagian yang kaku dan bagian yang bergerak di mobil, robot, perahu, dan pesawat,” kata Gershenfeld. “Dan kita bisa menyebarkan semua itu dengan satu sistem ini.”

Faktor kuncinya adalah bahwa struktur yang terdiri dari satu jenis voxel ini akan berperilaku persis sama seperti subunit itu sendiri, kata Jenett. “Kami dapat menunjukkan bahwa persendian menghilang secara efektif saat Anda menyatukan bagian-bagiannya. Ini berperilaku seperti materi monolitik yang berkelanjutan. “

Sementara penelitian robotik cenderung terbagi antara robot keras dan lunak, “inilah masalahnya,” kata Gershenfeld, karena potensinya untuk mencampur dan mencocokkan properti ini dalam satu perangkat.

Salah satu aplikasi awal yang mungkin dari teknologi ini, kata Jenett, bisa untuk konstruksi bilah turbin angin. Ketika struktur ini menjadi lebih besar dan lebih besar, pengangkutan bilah ke lokasi operasi mereka menjadi masalah logistik yang serius, sedangkan jika mereka dirakit dari ribuan subunit kecil, pekerjaan itu dapat dilakukan di lokasi, menghilangkan masalah transportasi. Demikian pula, pembuangan bilah turbin bekas sudah menjadi masalah serius karena ukurannya yang besar dan kurangnya daur ulang. Tapi bilah yang terdiri dari voxel kecil dapat dibongkar di tempat, dan voxel kemudian digunakan kembali untuk melakukan sesuatu yang lain.

Dan sebagai tambahan, bilahnya sendiri bisa lebih efisien, karena mereka bisa memiliki campuran sifat mekanis yang dirancang ke dalam struktur yang memungkinkan mereka merespons secara dinamis, pasif, terhadap perubahan gaya angin, katanya.

Secara umum, Jenett berkata, “Sekarang kami memiliki sistem yang dapat diskalakan dengan biaya rendah, jadi kami dapat merancang apa pun yang kami inginkan. Kami dapat membuat hewan berkaki empat, kami dapat membuat robot renang, kami dapat membuat robot terbang. Fleksibilitas ini adalah salah satu keunggulan utama sistem ini. “.

Stanford’s Lovins mengatakan teknologi ini “dapat membuat permukaan penerbangan aeronautika yang ekonomis, tahan lama, dan sangat ringan yang secara pasif dan terus menerus mengoptimalkan bentuknya seperti penerbangan burung. Itu juga dapat menyebabkan massa kosong mobil bergerak hampir mendekati muatannya, karena strukturnya yang tahan tabrakan sebagian besar menjadi udara. Hal ini juga dapat memungkinkan cangkang bola yang kekuatan penghancurannya memungkinkan balon vakum (tanpa helium) mengapung di atmosfer untuk mengangkat beberapa puluh kali muatan bersih jet jumbo. ”

Dia menambahkan, “Seperti biomimikri dan desain integratif, seni metamaterial seluler baru ini adalah alat baru yang ampuh untuk membantu kita melakukan lebih banyak dengan lebih sedikit.”

Referensi: “Metamaterial yang dirakit secara diam-diam” oleh Benjamin Jenett, Christopher Cameron, Filippos Tourlomousis, Alfonso Parra Rubio, Megan Ochalek dan Neil Gershenfeld, 18 November 2020, Ilmu Pengetahuan Lanjut.
DOI: 10.1126 / sciadv.abc9943

Tim peneliti termasuk Filippos Tourlomousis, Alfonso Parra Rubio, dan Megan Ochalek di MIT, dan Christopher Cameron di Laboratorium Riset Angkatan Darat AS. Pekerjaan itu didukung oleh NASA, Laboratorium Penelitian Angkatan Darat A.S. dan Pusat Konsumsi Bit dan Atom.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Skrining sinar-X mengidentifikasi obat yang menjanjikan untuk pengobatan COVID-19

Sebuah tim peneliti, termasuk ilmuwan MPSD, telah mengidentifikasi beberapa kandidat untuk melawan obat tersebut SARS-CoV-2 coronavirus menggunakan sumber cahaya sinar-X PETRA III di German...

Teori konspirasi memengaruhi perilaku kita – bahkan jika kita tidak mempercayainya!

Paling tidak karena COVID-19 pandemi, teori konspirasi lebih relevan dari sebelumnya. Mereka diberitakan dan didiskusikan di hampir semua media dan komunikasi. Tapi...

“Doodle Ringan” Nyata dalam Waktu Nyata

Para peneliti di Tokyo Metropolitan University telah merancang dan menerapkan algoritme yang disederhanakan untuk mengubah garis yang digambar secara bebas menjadi hologram pada CPU...

Teleskop Webb NASA menyertakan tabir surya seukuran lapangan tenis untuk perjalanan jutaan kilometer

Kedua wajah tabir surya James Webb Space Telescope dinaikkan secara vertikal untuk mempersiapkan pelipatan lapisan tabir surya. Kredit: NASA / Chris Gunn Insinyur bekerja...

Mineralogi Hangat Global Mengelola Pusat Perlindungan Kehidupan Batin

Tim lapangan DeMMO dari kiri ke kanan: Lily Momper, Brittany Kruger, dan Caitlin Casar mengambil sampel air yang meledak dari toilet DeMMO. Pendanaan:...

Newsletter

Subscribe to stay updated.