En kunstners gengivelse af mekaniske metamaterialer. Kredit:Cockrell School of Engineering
Ingeniører og forskere ved University of Texas i Austin og AMOLF -instituttet i Holland har opfundet de første mekaniske metamaterialer, der let overfører bevægelse ubesværet i den ene retning, mens de blokerer den i den anden, som beskrevet i et papir, der blev offentliggjort den 13. februar i Natur . Materialet kan betragtes som et mekanisk envejsskjold, der blokerer for energi fra at komme ind, men let overfører det til at gå ud på den anden side.
Forskerne udviklede de første ikke-gensidige mekaniske materialer ved hjælp af metamaterialer, som er syntetiske materialer med egenskaber, der ikke kan findes i naturen.
At bryde bevægelsessymmetrien kan muliggøre større kontrol med mekaniske systemer og forbedret effektivitet. Disse ikke -gensidige metamaterialer kan potentielt bruges til at realisere nye typer mekaniske anordninger:f.eks. aktuatorer (komponenter i en maskine, der er ansvarlige for at flytte eller styre en mekanisme) og andre enheder, der kan forbedre energiabsorbering, omlægning og høst, blød robotik og proteser.
Forskernes gennembrud ligger i evnen til at overvinde gensidighed, et grundlæggende princip for mange fysiske systemer, som sikrer, at vi får det samme svar, når vi skubber en vilkårlig struktur fra modsatte retninger. Dette princip styrer, hvordan signaler fra forskellige former rejser i rummet og forklarer hvorfor, hvis vi kan sende en radio eller et akustisk signal, vi kan også modtage det. I mekanik, gensidighed indebærer, at bevægelse gennem et objekt transmitteres symmetrisk:Hvis vi ved at skubbe på side A bevæger side B med en vis mængde, vi kan forvente den samme bevægelse ved side A, når vi skubber B.
"De mekaniske metamaterialer, vi skabte, giver nye elementer i paletten, som materialeforskere kan bruge til at designe mekaniske strukturer, "sagde Andrea Alu, en professor ved Cockrell School of Engineering og medforfatter til papiret. "Dette kan være af ekstrem interesse for applikationer, hvor det er ønskeligt at bryde den naturlige symmetri, hvormed forskydningen af molekyler bevæger sig i mikrostruktur af et materiale."
I løbet af de sidste par år har Alu, sammen med forsker ved Cockrell School Dimitrios Sounas og andre medlemmer af deres forskerhold, har gjort spændende gennembrud inden for ikke -gensidige anordninger til elektromagnetik og akustik, herunder realisering af de første af deres slags ikke-gensidige enheder til lyd, radiobølger og lys. Under et besøg på instituttet AMOLF i Holland, de startede et frugtbart samarbejde med Corentin Coulais, en AMOLF -forsker, der for nylig har udviklet mekaniske metamaterialer. Deres tætte interaktion førte til dette gennembrud.
Forskerne lavede først en gummi fremstillet, centimeterskala metamateriale med et specielt skræddersyet fiskebenskelet-design. De skræddersyede dets design til at opfylde de vigtigste betingelser for at bryde gensidighed, nemlig asymmetri og en respons, der ikke er lineært proportional med den udøvede kraft.
"Denne struktur gav os inspiration til designet af et andet metamateriale, med usædvanligt stærke ikke -gensidige egenskaber, " sagde Coulais. "Ved at erstatte de simple geometriske elementer i fiskebensmetamaterialet med en mere indviklet arkitektur lavet af forbundne firkanter og diamanter, vi fandt ud af, at vi meget stærkt kan bryde betingelserne for gensidighed, og vi kan opnå et meget stort ikke -gensidigt svar. "
Materialets struktur er et gitter af firkanter og diamanter, der er fuldstændig homogent i hele prøven, som et almindeligt materiale. Imidlertid, hver enhed af gitteret er let vippet på en bestemt måde, og denne subtile forskel kontrollerer dramatisk den måde, metamaterialet reagerer på ydre stimuli.
"Metamaterialet som helhed reagerer asymmetrisk, med en meget stiv side og en meget blød side, " sagde Sounas. "Forholdet mellem enhedsasymmetrien og den bløde sideplacering kan forudsiges af en meget generisk matematisk ramme kaldet topologi. Her, når de arkitektoniske enheder læner sig tilbage til venstre, højre side af metamaterialet vil være meget blødt, og omvendt."
Når forskerne anvender en kraft på metamaterialets bløde side, det fremkalder let rotationer af firkanter og diamanter i strukturen, men kun i nærheden af trykpunktet, og effekten på den anden side er lille. Omvendt når de anvender den samme kraft på den stive side, bevægelsen forplanter sig og forstærkes gennem hele materialet, med stor effekt på den anden side. Som resultat, skubbe fra venstre eller højre resulterer i meget forskellige reaktioner, giver en stor ikke-gensidighed selv for små påførte kræfter.
Teamet ser frem til at udnytte disse topologiske mekaniske metamaterialer til forskellige applikationer, optimere dem, og skære enheder ud af dem til applikationer i blød robotteknologi, proteser og energihøst.