Onderzoekers van MIT's Center for Bits and Atoms hebben kleine bouwstenen gemaakt die een verscheidenheid aan unieke mechanische eigenschappen vertonen, zoals het vermogen om een ​​draaiende beweging te produceren wanneer erin wordt geperst. Deze subeenheden kunnen mogelijk door kleine robots worden geassembleerd tot een bijna onbeperkte verscheidenheid aan objecten met ingebouwde functionaliteit, inclusief voertuigen, grote industriële onderdelen, of gespecialiseerde robots die herhaaldelijk in verschillende vormen kunnen worden samengevoegd.

De onderzoekers creëerden vier verschillende soorten van deze subeenheden, voxels genoemd (een 3D-variatie op de pixels van een 2D-afbeelding). Elk voxel-type vertoont speciale eigenschappen die niet worden gevonden in typische natuurlijke materialen, en in combinatie kunnen ze worden gebruikt om apparaten te maken die op voorspelbare manieren reageren op omgevingsstimuli. Voorbeelden hiervan zijn vliegtuigvleugels of turbinebladen die reageren op veranderingen in luchtdruk of windsnelheid door hun algehele vorm te veranderen.

De bevindingen, waarin de creatie van een familie van discrete "mechanische metamaterialen, " worden beschreven in een artikel dat vandaag in het tijdschrift is gepubliceerd wetenschappelijke vooruitgang , geschreven door de recente MIT-doctoraat Benjamin Jenett Ph.D. '20, Professor Neil Gershenfeld, en vier anderen.

Metamaterialen krijgen hun naam omdat hun grootschalige eigenschappen verschillen van de microniveau-eigenschappen van hun samenstellende materialen. Ze worden gebruikt in elektromagnetisme en als "architected" materialen, die zijn ontworpen op het niveau van hun microstructuur. "Maar er is niet veel gedaan aan het creëren van macroscopische mechanische eigenschappen als metamateriaal, ' zegt Gershenfeld.

Met deze aanpak, ingenieurs moeten in staat zijn om constructies te bouwen met een breed scala aan materiaaleigenschappen - en ze allemaal te produceren met behulp van dezelfde gedeelde productie- en assemblageprocessen, zegt Gershenfeld.

De voxels zijn samengesteld uit platte framestukken van spuitgegoten polymeren, vervolgens gecombineerd tot driedimensionale vormen die kunnen worden samengevoegd tot grotere functionele structuren. Ze zijn meestal open ruimte en bieden dus een extreem lichtgewicht maar stevig frame wanneer ze worden gemonteerd. Naast de starre basiseenheid, die een uitzonderlijke combinatie van sterkte en lichtgewicht biedt, er zijn drie andere varianten van deze voxels, elk met een andere ongebruikelijke eigenschap.

De "auxetische" voxels hebben een vreemde eigenschap waarbij een kubus van het materiaal, wanneer gecomprimeerd, in plaats van uitpuilend aan de zijkanten, puilt het juist naar binnen. Dit is de eerste demonstratie van een dergelijk materiaal dat is geproduceerd door middel van conventionele en goedkope productiemethoden.

Er zijn ook "compliant" voxels, met een Poisson-verhouding van nul, die enigszins lijkt op de auxetische eigenschap, maar in dit geval wanneer het materiaal wordt samengeperst, de zijkanten veranderen helemaal niet van vorm. Weinig bekende materialen vertonen deze eigenschap, die nu kunnen worden geproduceerd door deze nieuwe aanpak.

Eindelijk, "chirale" voxels reageren op axiale compressie of uitrekken met een draaiende beweging. Opnieuw, dit is een ongewone eigenschap; onderzoek dat een dergelijk materiaal produceerde door middel van complexe fabricagetechnieken, werd vorig jaar geprezen als een belangrijke bevinding. Dit werk maakt deze eigenschap gemakkelijk toegankelijk op macroscopische schaal.

"Elk type materiaaleigenschap dat we laten zien, was voorheen zijn eigen veld, ', zegt Gershenfeld. 'Mensen zouden op dat ene terrein papieren schrijven. Dit is het eerste dat ze allemaal in één systeem laat zien."

Om het echte potentieel van grote objecten te demonstreren die op een LEGO-achtige manier zijn geconstrueerd uit deze in massa geproduceerde voxels, het team, in samenwerking met de ingenieurs van Toyota, produceerde een functionele super-kilometers raceauto, die ze eerder dit jaar op straat demonstreerden tijdens een internationale roboticaconferentie.

Ze waren in staat om de lichtgewicht, high-performance structuur in slechts een maand, Jenet zegt, terwijl het bouwen van een vergelijkbare structuur met behulp van conventionele glasvezelconstructiemethoden eerder een jaar kostte.

Tijdens de demonstratie wordt de straten waren glad van de regen, en de raceauto crashte uiteindelijk tegen een barrière. Tot verbazing van alle betrokkenen, de roosterachtige interne structuur van de auto vervormde en stuiterde toen terug, het absorberen van de schok met weinig schade. Een conventioneel gebouwde auto, Jenet zegt, waarschijnlijk ernstig gedeukt zou zijn als het van metaal was gemaakt, of verbrijzeld als het samengesteld was.

De auto gaf een levendige demonstratie van het feit dat deze kleine onderdelen inderdaad kunnen worden gebruikt om functionele apparaten op menselijke schaal te maken. En, Gershenfeld wijst erop, in de structuur van de auto, "dit zijn geen onderdelen die met iets anders verbonden zijn. Het hele ding is gemaakt van niets anders dan deze onderdelen, " behalve de motoren en voeding.

Omdat de voxels uniform van grootte en samenstelling zijn, ze kunnen op elke gewenste manier worden gecombineerd om verschillende functies voor het resulterende apparaat te bieden. "We kunnen een breed scala aan materiaaleigenschappen omvatten die voorheen als zeer gespecialiseerd werden beschouwd, ' zegt Gershenfeld. 'Het gaat erom dat je niet één pand hoeft te kiezen. Je kunt maken, bijvoorbeeld, robots die in de ene richting buigen en in een andere richting stijf zijn en alleen op bepaalde manieren bewegen. En dus, de grote verandering ten opzichte van ons eerdere werk is dit vermogen om meerdere mechanische materiaaleigenschappen te overspannen, die tot nu toe afzonderlijk werden beschouwd."

jenet, die veel van dit werk heeft uitgevoerd als basis voor zijn proefschrift, zegt:"deze onderdelen zijn goedkoop, gemakkelijk geproduceerd, en zeer snel in elkaar te zetten, en u krijgt deze reeks eigenschappen allemaal in één systeem. Ze zijn allemaal compatibel met elkaar, dus er zijn al deze verschillende soorten exotische eigenschappen, maar ze spelen allemaal goed met elkaar in dezelfde schaalbare, goedkoop systeem."

"Denk aan alle stijve delen en bewegende delen in auto's en robots en boten en vliegtuigen, "zegt Gershenfeld. "En dat kunnen we allemaal overbruggen met dit ene systeem."

Een sleutelfactor is dat een structuur die uit één type van deze voxels bestaat, zich op precies dezelfde manier zal gedragen als de subeenheid zelf, zegt Jenet. "We hebben kunnen aantonen dat de verbindingen effectief verdwijnen als je de onderdelen samenvoegt. Het gedraagt ​​​​zich als een continuüm, monolithisch materiaal."

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. evenzo, 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, hij zegt.

Algemeen, 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."