Intelligent væske:Forskere udvikler metafluid med programmerbar respons

Metamaterialer - kunstigt konstruerede materialer, hvis egenskaber bestemmes af deres struktur snarere end sammensætning - har været meget brugt i en række applikationer i årevis. Men de fleste materialer – såsom metalenses, der var pionerer i laboratoriet hos Federico Capasso, Robert L. Wallace professor i anvendt fysik og Vinton Hayes seniorforsker i elektroteknik ved SEAS – er solide.

"I modsætning til faste metamaterialer har metafluider den unikke evne til at flyde og tilpasse sig formen på deres beholder," sagde Katia Bertoldi, William og Ami Kuan Danoff professor i anvendt mekanik ved SEAS og seniorforfatter af papiret. "Vores mål var at skabe en metafluid, der ikke kun besidder disse bemærkelsesværdige egenskaber, men også giver en platform for programmerbar viskositet, komprimerbarhed og optiske egenskaber."

Ved at bruge en meget skalerbar fremstillingsteknik udviklet i laboratoriet af David A. Weitz, Mallinckrodt-professor i fysik og anvendt fysik ved SEAS, producerede forskerholdet hundredtusindvis af disse meget deformerbare sfæriske kapsler fyldt med luft og suspenderede dem i siliciumolie . Når trykket inde i væsken stiger, kollapser kapslerne og danner en linse-lignende halvkugle. Når dette tryk er fjernet, springer kapslerne tilbage i deres kugleform.

Denne overgang ændrer mange af væskens egenskaber, herunder dens viskositet og opacitet. Disse egenskaber kan justeres ved at ændre antallet, tykkelsen og størrelsen af ​​kapslerne i væsken.

Forskerne demonstrerede væskens programmerbarhed ved at fylde metafluiden i en hydraulisk robotgriber og lade griberen tage en glasflaske, et æg og en blåbær op. I et traditionelt hydraulisk system drevet af simpel luft eller vand, ville robotten have brug for en form for sansning eller ekstern kontrol for at kunne justere sit greb og opfange alle tre genstande uden at knuse dem.

Men med metafluiden er der ingen behov for sansning. Væsken reagerer selv på forskellige tryk og ændrer dens overensstemmelse for at justere griberens kraft for at kunne opfange en tung flaske, et delikat æg og et lille blåbær uden yderligere programmering.

"Vi viser, at vi kan bruge denne væske til at give intelligens til en simpel robot," sagde Djellouli.

Holdet demonstrerede også en fluidisk logikport, der kan omprogrammeres ved at ændre metafluiden.

Metafluiden ændrer også dens optiske egenskaber, når den udsættes for skiftende tryk.

Når kapslerne er runde, spreder de lys, hvilket gør væsken uigennemsigtig, ligesom luftbobler får iltet vand til at se hvidt ud. Men når der påføres tryk, og kapslerne kollapser, virker de som mikrolinser, der fokuserer lyset og gør væsken gennemsigtig. Disse optiske egenskaber kan bruges til en række applikationer, såsom e-blæk, der skifter farve baseret på tryk.

Forskerne viste også, at når kapslerne er sfæriske, opfører metafluiden sig som en newtonsk væske, hvilket betyder, at dens viskositet kun ændres som reaktion på temperaturen. Men når kapslerne er kollapset, omdannes suspensionen til en ikke-newtonsk væske, hvilket betyder, at dens viskositet vil ændre sig som reaktion på forskydningskraften - jo større forskydningskraften er, jo mere flydende bliver den. Dette er den første metafluid, der har vist sig at skifte mellem Newtonske og ikke-Newtonske stater.

Dernæst sigter forskerne på at udforske metafluidens akustiske og termodynamiske egenskaber.

"Anvendelsespladsen for disse skalerbare, nemme at producere metavæsker er enorm," sagde Bertoldi.

Harvard's Office of Technology Development har beskyttet den intellektuelle ejendom, der er forbundet med denne forskning og undersøger kommercialiseringsmuligheder.

Flere oplysninger: Katia Bertoldi, Shell buckling for programmerbare metafluids, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07163-z. www.nature.com/articles/s41586-024-07163-z

Journaloplysninger: Natur

Leveret af Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences