Hvordan man imiterer naturlig fjederbelastet snapbevægelse uden at miste energi

Venus fluefælder gør det, fælde-kæbe myrer gør det, og nu kan materialeforskere ved University of Massachusetts Amherst gøre det, også - de opdagede en måde til effektivt at omdanne elastisk energi i en fjeder til kinetisk energi for høj acceleration, ekstreme hastighedsbevægelser, som naturen gør det.

I fysikken af ​​menneskeskabte og mange naturlige systemer, at konvertere energi fra en form til en anden betyder normalt at miste meget af den energi, siger førsteforfatter Xudong Liang og seniorforsker Alfred Crosby. "Der er altid høje omkostninger, og det meste af energien i en konvertering går tabt, " siger Crosby. "Men vi har opdaget mindst én mekanisme, der hjælper betydeligt." Detaljer er i Fysiske anmeldelsesbreve.

Ved hjælp af højhastighedsbilleder, Liang og Crosby målte tilbageslaget i fine detaljer, eller snapper, bevægelse af elastiske bånd, der kan nå accelerationer og hastigheder svarende til mange af de naturlige biologiske systemer, der inspirerede dem. Ved at eksperimentere med forskellige elastiske bånd konformationer, de opdagede en mekanisme til at efterligne myrer og fluefælder hurtige bevægelser, højeffektimpulshændelser med minimalt energitab.

Liang, som nu er på fakultetet ved Binghamton University, og Crosby er en del af en gruppe, der omfatter robotikere og biologer ledet af den tidligere UMass Amherst-ekspert Sheila Patek, nu på Duke University. Hun har studeret mantis-rejens ekstremt hurtige raptoriske vedhængs-knap-bevægelse i årevis. Deres multi-institution team er støttet af en U.S. Army Multidisciplinary University Research Initiative (MURI) bevilling finansieret af U.S. Army Research Laboratory og dets forskningskontor.

I Liangs observationer og eksperimenter, han opdagede de underliggende forhold, hvor energi er mest bevaret – plus den grundlæggende fysik – og præsenterer, hvad Crosby kalder "nogle virkelig smukke teorier og ligninger" for at understøtte deres konklusioner. "Vores forskning afslører, at interne geometriske strukturer i en fjeder spiller en central vigtig rolle i at forbedre energiomdannelsesprocessen for bevægelser med høj effekt, " konstaterer Crosby.

Hemmeligheden viste sig at være at tilføje strategisk placerede elliptiske – ikke cirkulære – huller til elastikken, siger Liang. "At opretholde effektivitet er ikke intuitivt, det er meget svært at gætte, hvordan man gør det, før man eksperimenterer med det. Men du kan begynde at danne en teori, når du ser, hvordan eksperimentet forløber over tid. Du kan begynde at tænke over, hvordan det virker."

Han bremsede handlingen for at se snapbevægelsen i en syntetisk polymer, der fungerer som et gummibånd.

Liang opdagede, at den strukturelle hemmelighed ligger i at designe et mønster af huller. "Uden huller strækker alt sig bare, " konstaterer han. "Men med huller, nogle områder af materialet vil vende og kollapse." Når almindelige bånd strækkes og trækkes tilbage, mindre end 70 % af den lagrede energi udnyttes til bevægelse med høj effekt, resten er tabt.

Derimod, tilføjelse af porer forvandler båndene til mekaniske metamaterialer, der skaber bevægelse gennem rotation, Liang forklarer. Han og Crosby demonstrerer, at med metamaterialer, mere end 90 % af den lagrede energi bruges til at drive bevægelse. "I fysik, bøjning udfører den samme bevægelse med mindre energi, så når du manipulerer mønsteret af porerne, kan du designe båndet til at bøje internt; det bliver højeffektivt, " tilføjer Crosby.

"Dette viser, at vi kan bruge struktur til at ændre egenskaber i materialer. Andre vidste, at dette var en interessant tilgang, men vi flyttede det fremad, især til højhastighedsbevægelser og konvertering fra elastisk energi til kinetisk energi, eller bevægelse."

De to håber, at dette fremskridt vil hjælpe robotikere på deres MURI-team og andre med et præstationsmål for at hjælpe dem med at designe højeffektivitet, hurtige kinetiske robotsystemer.

Liang siger, "Nu kan vi aflevere nogle af disse strukturer og sige, 'Sådan designer du en fjeder til dine robotter.' Vi tror, ​​at den nye teori åbner op for en masse nye ideer og spørgsmål om, hvordan man ser på biologien, hvordan vævene er struktureret eller deres skaller er konfigureret til at tillade rotation, som vi viser er nøglen, "tilføjer han.