Små magnetiske partikler gør det muligt for nyt materiale at bøje, vride, og tag fat

Et team af forskere fra Georgia Institute of Technology og Ohio State University har udviklet et blødt polymermateriale, kaldet magnetisk formhukommelsespolymer, der bruger magnetiske felter til at omdanne til en række forskellige former. Materialet kunne muliggøre en række nye applikationer fra antenner, der ændrer frekvenser i farten til gribearme til sarte eller tunge genstande.

Materialet er en blanding af tre forskellige ingredienser, alle med unikke egenskaber:to typer magnetiske partikler, en til induktiv varme og en med stærk magnetisk tiltrækning, og formhukommelsespolymerer for at hjælpe med at låse forskellige formændringer på plads.

"Dette er det første materiale, der kombinerer styrkerne af alle disse individuelle komponenter i et enkelt system, der er i stand til hurtige og omprogrammerbare formændringer, der er låsbare og reversible, " sagde Jerry Qi, en professor ved George W. Woodruff School of Mechanical Engineering ved Georgia Tech.

Forskningen, som blev anmeldt 9. december i bladet Avancerede materialer , blev sponsoreret af National Foundation of Science, luftvåbnets kontor for videnskabelig forskning, og Energiministeriet.

For at lave materialet, forskerne begyndte med at fordele partikler af neodymjernbor (NdFeB) og jernoxid i en blanding af formhukommelsespolymerer. Når partiklerne var fuldt inkorporeret, forskerne støbte derefter denne blanding til forskellige objekter designet til at evaluere, hvordan materialet fungerede i en række anvendelser.

For eksempel, holdet lavede en gribeklo af en t-formet form af polymerblandingen med magnetisk formhukommelse. Anvendelse af en høj frekvens, oscillerende magnetfelt til objektet fik jernoxidpartiklerne til at varme op gennem induktion og varme hele griberen. Den temperaturstigning, på tur, fik formhukommelsespolymermatrixen til at blødgøre og blive bøjelig. Et andet magnetfelt blev derefter påført griberen, får dens kløer til at åbne og lukke. Når formhukommelsespolymererne afkøles igen, de forbliver låst i den position.

Formændringsprocessen tager kun et par sekunder fra start til slut, og materialets styrke i dets låste tilstand tillod griberen at løfte genstande op til 1, 000 gange sin egen vægt.

"Vi forestiller os, at dette materiale er nyttigt i situationer, hvor en robotarm skal løfte en meget sart genstand uden at beskadige den, såsom i fødevareindustrien eller til kemiske eller biomedicinske anvendelser, " sagde Qi.

Det nye materiale bygger på tidligere forskning, der skitserede aktiveringsmekanismer for blød robotteknologi og aktive materialer og evaluerede begrænsningerne i nuværende teknologier.

"Graden af ​​frihed er begrænset i konventionel robotteknologi," sagde Ruike (Renee) Zhao, en adjunkt i afdelingen for mekanisk og rumfartsteknik i Ohio State. "Med bløde materialer, den grad af frihed er ubegrænset."

Forskerne testede også andre applikationer, hvor spoleformede objekter lavet af det nye materiale udvidede og trak sig tilbage - simulerede hvordan en antenne potentielt kunne ændre frekvenser, når den aktiveres af magnetfelterne.

"Denne proces kræver, at vi kun bruger magnetiske felter under aktiveringsfasen, " sagde Zhao. "Så, når en genstand har nået sin nye form, den kan låses der uden konstant at forbruge energi."