Et ringbrynjestof, der kan stivne efter behov

Forskere fra Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) og California Institute of Technology (Caltech), Forenede Stater, har udviklet en ny type 'ringbrynje'-stof, der er fleksibelt som stof, men som kan stivne efter behov.

Det lette stof er 3D-printet af nylonplastikpolymerer og består af hule oktaeder (en form med otte lige store trekantede flader), der griber ind i hinanden.

Når det bløde stof er pakket ind i en fleksibel plastikkonvolut og vakuumpakket, det bliver til en stiv struktur, der er 25 gange stivere eller sværere at bøje, end når den er afslappet. Det fysiske princip bag kaldes " jamming overgang ", svarende til stivningsadfærden i vakuumpakkede poser med ris eller bønner.

Kendt som 'bærbare strukturerede stoffer', udviklingen kan bane vejen for næste generation af smarte stoffer, der kan hærde for at beskytte en bruger mod påvirkning, eller når der er behov for yderligere bæreevne.

Potentielle anvendelser kan omfatte skudsikre eller stiksikre veste, konfigurerbar medicinsk støtte til ældre, og beskyttende eksoskeletter til højpåvirkningssport eller arbejdspladser som byggepladser.

Udgivet i dag i Natur , denne tværfaglige forskning er resultatet af et samarbejde mellem eksperter i maskinteknik og avanceret fremstilling.

Hovedforfatter af avisen, Nanyang assisterende professor Wang Yifan, sagde, at deres forskning har fundamental betydning såvel som industriel relevans, og at det kan føre til en ny platformsteknologi med applikationer i medicinske og robotsystemer, der kan gavne samfundet.

"Med et konstrueret stof, der er let og justerbart - nemt skiftes fra blødt til stift - kan vi bruge det til at imødekomme behovene hos patienter og den aldrende befolkning, for eksempel, at skabe eksoskeletter, der kan hjælpe dem med at stå, bære byrder og hjælpe dem med deres daglige opgaver, " sagde Asst. Prof Wang fra NTU's School of Mechanical and Aerospace Engineering, som startede denne forskning, da han var post-doc forsker ved Caltech.

"Inspireret af gammel ringbrynjerustning, vi brugte hule plastikpartikler, der er låst sammen for at forbedre vores justerbare stoffers stivhed. For yderligere at øge materialets stivhed og styrke, vi arbejder nu på stoffer fremstillet af forskellige metaller, herunder aluminium, som kunne bruges til større industrielle applikationer, der kræver højere belastningskapacitet, såsom broer eller bygninger."

Tilsvarende forfatter til avisen, Professor Chiara Daraio, Caltechs G. Bradford Jones professor i maskinteknik og anvendt fysik, sagde, "Vi ville lave materialer, der kan ændre stivhed på kommando. Vi vil gerne skabe et stof, der går fra blødt og foldbart til stift og bærende på en kontrollerbar måde."

Et eksempel fra populærkulturen ville være Batmans kappe i filmen fra 2005 Batman begynder , som generelt er fleksibel, men kan gøres stiv efter behag, når den kapede korsfarer har brug for det som svævefly.

Videnskaben bag det sammenlåsende stof

Det videnskabelige koncept bag stoffet med variabel stivhed kaldes "jamming transition". Dette er en overgang, hvor aggregater af faste partikler skifter fra en væskelignende blød tilstand til en fastlignende stiv tilstand, med en let stigning i pakningstæthed. Imidlertid, typiske faste partikler er sædvanligvis for tunge og giver ikke tilstrækkelig trækstyrke til bærbare applikationer.

I deres forskning, forfatterne designede strukturerede partikler - hvor hver partikel er lavet af hule rammer - i form af ringe, ovaler, firkanter, terninger, pyramider og forskellige former af oktaeder, der så er låst sammen. Disse strukturer, kendt som topologisk sammenkoblede strukturer, kan derefter formes til ringbrynjestof, der har en lav densitet og alligevel høj trækstivhed, ved hjælp af avanceret 3-D printteknologi til at printe dem som et enkelt stykke.

De modellerede derefter antallet af gennemsnitlige kontaktpunkter pr. partikel, og hvor meget hver struktur vil bøje som svar på mængden af ​​påført stress. Holdet opdagede, at ved at tilpasse partikelformen, der var en afvejning mellem hvor meget vægt partiklerne vil have i forhold til hvor meget stoffet kan bøje, og hvordan man balancerer de to faktorer.

For at tilføje en måde at kontrollere stoffets stivhed, holdet indkapslede ringbrynjestoffet i en fleksibel plastikkonvolut og komprimerede stofferne ved hjælp af et vakuum, som påfører tryk udefra. Vakuumtrykket øger stoffets pakningstæthed, får hver partikel til at have mere kontakt med sine naboer, resulterer, for det oktaederbaserede stof, i en struktur, der er 25 gange mere stiv. Når det dannes til en flad, bordformet struktur og vakuumlåst på plads, stoffet kunne holde en belastning på 1,5 kg, mere end 50 gange stoffernes egenvægt.

I et andet eksperiment, holdet tabte en lille stålkugle (30 gram, måler 1,27 cm i diameter) på ringbrynjen med 3 meter i sekundet. Slaget deformerede stoffet med op til 26 mm, når det var afslappet, men kun 3 mm, når den var stivnet, en seks gange reduktion i indtrængningsdybden.

For at vise mulighederne for deres stofkoncept ved hjælp af forskelligt kildemateriale, holdet 3-D-printede ringbrynjen ved hjælp af aluminium og demonstrerede, at den har samme fleksibilitet og 'bløde' ydeevne som nylon, når den er afslappet, og alligevel kan den også blive 'klemt' ind i strukturer, der er meget stivere sammenlignet med nylon på grund af aluminiums højere stivhed og styrke.

Disse metalliske ringbrynjer kan bruges i applikationer såsom rustning, hvor de skal beskytte mod hårde og højhastighedspåvirkninger fra skarpe genstande. I et sådant tilfælde, indkapslingen eller kappematerialet kan være lavet af aramidfibre, almindeligvis kendt som Kevlar, bruges som stof i skudsikre veste.

Bevæger sig fremad, holdet søger at forbedre materiale- og stofydeevnen for deres ringbrynje og at udforske flere metoder til at afstive den, såsom gennem magnetisme, el eller temperatur.