Teknik, der er inspireret af delfinkvidrer, kan forbedre test af bløde materialer

Når du deformerer et blødt materiale, såsom Silly Putty, dens egenskaber ændres afhængigt af, hvor hurtigt du strækker og klemmer det. Hvis du efterlader kittet i et lille glas, den spredes til sidst som en væske. Hvis du trækker det langsomt, det vil tynde og falde som tyktflydende taffy. Og hvis du hurtigt rykker på det, Silly Putty vil snappe som en sprød, solid bar.

Forskere bruger forskellige instrumenter til at strække, presse, og vrid bløde materialer for præcist at karakterisere deres styrke og elasticitet. Men typisk, sådanne forsøg udføres i rækkefølge, hvilket kan være tidskrævende.

Nu, inspireret af de lydsekvenser, der bruges af flagermus og delfiner i ekkolokalisering, MIT -ingeniører har udviklet en teknik, der forbedrer hastigheden og nøjagtigheden ved måling af bløde materialers egenskaber væsentligt. Teknikken kan bruges til at teste egenskaberne ved tørring af cement, størkner blod, eller andre "muterende" bløde materialer, efterhånden som de ændrer sig over tid. Forskerne rapporterer deres resultater i tidsskriftet Fysisk gennemgang X .

"Denne teknik kan hjælpe i mange brancher, [som ikke vil] skulle ændre deres etablerede instrumenter for at få en meget bedre og præcis analyse af deres processer og materialer, "siger Bavand Keshavarz, en postdoc i MIT's Institut for Maskinteknik.

"For eksempel, denne protokol kan bruges til en lang række bløde materialer, fra spyt, som er viskoelastisk og snorlig, til materialer så stive som cement, "tilføjer kandidatstuderende Michela Geri." De kan alle ændre sig hurtigt over tid, og det er vigtigt at karakterisere deres egenskaber hurtigt og præcist. "

Geri og Keshavarz er medforfattere på papiret, som også inkluderer Gareth McKinley, ingeniørhøjskolen Professor i undervisningsinnovation og professor i maskinteknik på MIT; Thibaut Divoux fra det fælles laboratorium CNRS-MIT; Christian Clasen fra KU Leuven i Belgien; og Dan Curtis fra Swansea University i Wales.

Mod hurtigere målinger

Gruppens nye teknik forbedrer og forlænger deformationssignalet, der fanges af et instrument kendt som et reometer. Typisk, disse instrumenter er designet til at strække og klemme et materiale, frem og tilbage, over små eller store stammer, afhængigt af et signal sendt i form af en simpel oscillerende profil, som fortæller instrumentets motor, hvor hurtigt eller hvor langt materialet skal deformeres. En højere frekvens får motoren i rheometeret til at fungere hurtigere, klippe materialet hurtigere, mens en lavere frekvens bremser denne deformation.

Andre instrumenter, der tester bløde materialer, arbejder med lignende indgangssignaler. Disse kan omfatte systemer, der presser og vrider materialer mellem to plader, eller at omrøre materialer i beholdere, ved hastigheder og kræfter bestemt af den frekvensprofil, ingeniører programmerer ind i instrumenternes motorer.

Til dato, den mest nøjagtige metode til test af bløde materialer har været at foretage tests i rækkefølge over en udtrukket periode. Under hver test, et instrument kan, for eksempel, strække eller klippe et materiale ved en enkelt lav frekvens, eller motorsvingning, og registrere dens stivhed og elasticitet, før du skifter til en anden frekvens. Selvom denne teknik giver nøjagtige målinger, det kan tage timer at karakterisere et enkelt materiale fuldt ud.

Et ringende kvidren

I de seneste år, forskere har søgt at fremskynde processen med at teste bløde materialer ved at ændre instrumenternes indgangssignal og komprimere den frekvensprofil, der sendes til motorerne.

Forskere henviser til dette kortere, hurtigere, og mere kompleks frekvensprofil som et "kvidren, "efter den lignende struktur af frekvenser, der produceres i radar- og sonarfelter - og meget bredt, i nogle vokaliseringer af fugle og flagermus. Chirp -profilen fremskynder betydeligt et eksperimentelt testkørsel, gør det muligt for et instrument at måle på kun 10 til 20 sekunder et materiales egenskaber over en række frekvenser eller hastigheder, der traditionelt ville tage cirka 45 minutter.

Men i analysen af ​​disse målinger, forskere fandt artefakter i dataene fra normale kvidren, kendt som ringeeffekter, hvilket betyder, at målingerne ikke var tilstrækkeligt nøjagtige:De syntes at svinge eller "ringe" omkring de forventede eller faktiske værdier for stivhed og elasticitet af et materiale, og disse artefakter syntes at stamme fra kvidrenes amplitudeprofil, der lignede en hurtig rampe op og rampe ned af motorens svingningsfrekvenser.

"Det er ligesom når en atlet går på en 100 meter sprint uden at varme op, "Siger Keshavarz.

Geri, Keshavarz, og deres kolleger søgte at optimere chirp -profilen for at fjerne disse artefakter og derfor producere mere præcise målinger, samtidig med at man holder den samme korte testperiode. De studerede lignende kvidrenesignaler i radar og sonar - felter, der oprindeligt var banebrydende på MIT Lincoln Laboratory - med profiler, der oprindeligt var inspireret af kvidre produceret af fugle, flagermus, og delfiner.

"Flagermus og delfiner sender et lignende kvidrenesignal, der indkapsler en række frekvenser, så de hurtigt kan finde bytte, "Geri siger." De lytter til, hvad [frekvenser] kommer tilbage til dem og har udviklet måder at korrelere det med afstanden til objektet. Og de skal gøre det meget hurtigt og præcist, ellers vil byttet slippe væk. "

Teamet analyserede kvidren signaler og optimerede disse profiler i computersimuleringer, anvendte derefter visse chirp -profiler på deres reometer i laboratoriet. De fandt, at signalet, der reducerede ringeffekten mest, var en frekvensprofil, der stadig var så kort som det konventionelle kvidresignal - cirka 14 sekunder langt - men som steg gradvist op, med en glattere overgang mellem de forskellige frekvenser, sammenlignet med de originale kvidreprofiler, som andre forskere har brugt.

De kalder dette nye testsignal for et "optimalt vinduet kvidren, "eller OWCh, for den resulterende form af frekvensprofilen, der ligner et glat afrundet vindue frem for et skarpt, rektangulær rampe op og rampe ned. Ultimativt, den nye teknik beordrer en motor til at strække og klemme et materiale ind i en mere gradvis, glat måde.

Teamet testede deres nye chirp -profil i laboratoriet på forskellige viskoelastiske væsker og geler, startende med en laboratorie -standard polymeropløsning, som de karakteriserede ved hjælp af den traditionelle, langsommere metode, den konventionelle kvidreprofil, og deres nye OWCh -profil. De fandt ud af, at deres teknik producerede målinger, der næsten nøjagtigt matchede dem for den nøjagtige, men langsommere metode. Deres målinger var også 100 gange mere nøjagtige end den konventionelle kvidringsmetode producerede.

Forskerne siger, at deres teknik kan anvendes på ethvert eksisterende instrument eller apparat designet til at teste bløde materialer, og det vil betydeligt fremskynde den eksperimentelle testproces. De har også leveret en open-source softwarepakke, som forskere og ingeniører kan bruge til at hjælpe dem med at analysere deres data, hurtigt at karakterisere enhver blød, udviklende materiale, fra størkning af blod og tørring af kosmetik, til størkning af cement.

"Mange materialer inden for natur og industri, i forbrugerprodukter og i vores kroppe, ændre sig over ganske hurtige tidsskalaer, "Siger Keshavarz." Nu kan vi overvåge reaktionerne fra disse materialer, når de ændrer sig, over en lang række frekvenser, og på kort tid. "