Alsidige byggesten laver strukturer med overraskende mekaniske egenskaber

Forskere ved MIT's Center for Bits and Atoms har skabt små byggesten, der udviser en række unikke mekaniske egenskaber, såsom evnen til at producere en vridende bevægelse, når den presses. Disse underenheder kan potentielt samles af små robotter til en næsten ubegrænset række objekter med indbygget funktionalitet, herunder køretøjer, store industridele, eller specialiserede robotter, der gentagne gange kan samles i forskellige former.

Forskerne oprettede fire forskellige typer af disse underenheder, kaldet voxels (en 3D-variation på pixlerne i et 2-D-billede). Hver voxeltype udviser særlige egenskaber, der ikke findes i typiske naturmaterialer, og i kombination kan de bruges til at lave enheder, der reagerer på miljøstimuleringer på forudsigelige måder. Eksempler kan omfatte flyvinger eller turbineblade, der reagerer på ændringer i lufttryk eller vindhastighed ved at ændre deres overordnede form.

Fundene, som beskriver oprettelsen af ​​en familie af diskrete "mekaniske metamaterialer, "er beskrevet i et papir, der blev offentliggjort i dag i tidsskriftet Videnskab fremskridt , forfattet af den seneste MIT -doktorgrad Benjamin Jenett Ph.D. '20, Professor Neil Gershenfeld, og fire andre.

Metamaterialer får deres navn, fordi deres store egenskaber adskiller sig fra mikroniveauegenskaberne for deres komponentmaterialer. De bruges i elektromagnetik og som "arkitekterede" materialer, som er designet på niveau med deres mikrostruktur. "Men der er ikke blevet gjort meget ved at skabe makroskopiske mekaniske egenskaber som et metamateriale, "Siger Gershenfeld.

Med denne tilgang, ingeniører bør være i stand til at bygge strukturer, der indeholder en lang række materialegenskaber - og producere dem alle ved hjælp af de samme fælles produktions- og samlingsprocesser, Siger Gershenfeld.

Voxelerne er samlet af flade stelstykker af sprøjtestøbte polymerer, derefter kombineret til tredimensionelle former, der kan sættes sammen i større funktionelle strukturer. De er for det meste åbne rum og giver dermed en ekstremt let, men stiv ramme, når de samles. Udover den grundlæggende stive enhed, som giver en enestående kombination af styrke og let vægt, der er tre andre variationer af disse voxler, hver med en anden usædvanlig ejendom.

De "auxetiske" vokser har en mærkelig egenskab, hvor en terning af materialet, når komprimeret, i stedet for at bule ud i siderne faktisk buler indad. Dette er den første demonstration af et sådant materiale fremstillet ved konventionelle og billige fremstillingsmetoder.

Der er også "kompatible" vokser, med et Poisson -forhold på nul, som ligner noget i den auxetiske egenskab, men i dette tilfælde, når materialet komprimeres, siderne ændrer slet ikke form. Få kendte materialer udviser denne ejendom, som nu kan produceres gennem denne nye tilgang.

Endelig, "chirale" vokser reagerer på aksial kompression eller strækker sig med en vridende bevægelse. Igen, dette er en usædvanlig ejendom; forskning, der producerede et sådant materiale gennem komplekse fremstillingsteknikker, blev sidste år hyldet som et vigtigt fund. Dette arbejde gør denne ejendom let tilgængelig i makroskopiske skalaer.

"Hver type materialegenskab, vi viser, har tidligere været sit eget felt, ”Siger Gershenfeld.” Folk ville skrive papirer om netop den ene ejendom. Dette er det første, der viser dem alle i et enkelt system. "

For at demonstrere det virkelige potentiale for store objekter konstrueret på en LEGO-lignende måde ud af disse masseproducerede voxler, holdet, arbejder i samarbejde med ingeniører hos Toyota, produceret en funktionel super-kilometertal racerbil, som de demonstrerede på gaderne under en international robotteknologi tidligere på året.

De var i stand til at samle den lette, højtydende struktur på bare en måned, Jenett siger, der henviser til, at det tidligere havde taget et år at bygge en sammenlignelig struktur ved hjælp af konventionelle glasfiberkonstruktionsmetoder.

Under demonstrationen, gaderne var glatte af regn, og racerbilen endte med at styrte ind i en barriere. Til overraskelse for alle involverede, bilens gitterlignende indre struktur deformeret og derefter studsede tilbage, absorberer stødet med lidt skade. En konventionelt bygget bil, Jenett siger, sandsynligvis ville have været stærkt bulet, hvis det var lavet af metal, eller knust, hvis den var sammensat.

Bilen viste en levende demonstration af det faktum, at disse bittesmå dele virkelig kan bruges til at fremstille funktionelle enheder i skalaer i menneskelig størrelse. Og, Gershenfeld påpeger, i bilens struktur, "these aren't parts connected to something else. The whole thing is made out of nothing but these parts, " except for the motors and power supply.

Because the voxels are uniform in size and composition, they can be combined in any way needed to provide different functions for the resulting device. "We can span a wide range of material properties that before now have been considered very specialized, " Gershenfeld says. "The point is that you don't have to pick one property. You can make, for example, robots that bend in one direction and are stiff in another direction and move only in certain ways. And so, the big change over our earlier work is this ability to span multiple mechanical material properties, that before now have been considered in isolation."

Jenett, who carried out much of this work as the basis for his doctoral thesis, says "these parts are low-cost, easily produced, and very fast to assemble, and you get this range of properties all in one system. They're all compatible with each other, so there's all these different types of exotic properties, but they all play well with each other in the same scalable, inexpensive system."

"Think about all the rigid parts and moving parts in cars and robots and boats and planes, " Gershenfeld says. "And we can span all of that with this one system."

A key factor is that a structure made up of one type of these voxels will behave exactly the same way as the subunit itself, Jenett says. "We were able to demonstrate that the joints effectively disappear when you assemble the parts together. It behaves as a continuum, monolithic material."

Whereas robotics research has tended to be divided between hard and soft robots, "this is very much neither, " Gershenfeld says, because of its potential to mix and match these properties within a single device.

One of the possible early application of this technology, Jenett says, could be for building the blades of wind turbines. As these structures become ever larger, transporting the blades to their operating site becomes a serious logistical issue, whereas if they are assembled from thousands of tiny subunits, that job can be done at the site, eliminating the transportation issue. Tilsvarende the disposal of used turbine blades is already becoming a serious problem because of their large size and lack of recyclability. But blades made up of tiny voxels could be disassembled on site, and the voxels then reused to make something else.

And in addition, the blades themselves could be more efficient, because they could have a mix of mechanical properties designed into the structure that would allow them to respond dynamically, passively, to changes in wind strength, han siger.

Samlet set, Jenett says, "Now we have this low-cost, scalable system, so we can design whatever we want to. We can do quadrupeds, we can do swimming robots, we can do flying robots. That flexibility is one of the key benefits of the system."