Flytraps van Venus doen het, valkaakmieren doen het, en nu kunnen materiaalwetenschappers van de Universiteit van Massachusetts Amherst het doen, ook - ze ontdekten een manier om elastische energie in een veer efficiënt om te zetten in kinetische energie voor hoge versnelling, extreme snelheidsbewegingen zoals de natuur het doet.

In de fysica van door de mens gemaakte en vele natuurlijke systemen, het omzetten van energie van de ene vorm naar de andere betekent meestal dat er veel van die energie verloren gaat, zeggen eerste auteur Xudong Liang en senior onderzoeker Alfred Crosby. "Er zijn altijd hoge kosten, en de meeste energie bij een conversie gaat verloren, ", zegt Crosby. "Maar we hebben in ieder geval één mechanisme ontdekt dat aanzienlijk helpt." Details zijn bekend Fysieke beoordelingsbrieven.

Met behulp van high-speed beeldvorming, Liang en Crosby maten tot in detail de terugslag, of snappen, beweging van elastische banden die versnellingen en snelheden kunnen bereiken die vergelijkbaar zijn met veel van de natuurlijke biologische systemen die hen inspireerden. Door te experimenteren met verschillende elastische band conformaties, ontdekten ze een mechanisme voor het nabootsen van mieren- en vliegenvanger fast-motion, krachtige impulsgebeurtenissen met minimaal energieverlies.

Liang, die nu op de faculteit van Binghamton University zit, en Crosby maken deel uit van een groep met robotici en biologen onder leiding van voormalig UMass Amherst-expert Sheila Patek, nu aan de Duke University. Ze heeft jarenlang de extreem snelle raptorial-aanhangselbrekende beweging van de bidsprinkhaangarnaal bestudeerd. Hun multi-institutionele team wordt ondersteund door een U.S. Army Multidisciplinair University Research Initiative (MURI)-subsidie, gefinancierd door het U.S. Army Research Laboratory en zijn onderzoeksbureau.

In Liangs observaties en experimenten, hij ontdekte de onderliggende omstandigheden waarin energie het meest behouden blijft - plus de fundamentele fysica - en presenteert wat Crosby 'enkele echt mooie theorie en vergelijkingen' noemt om hun conclusies te ondersteunen. "Ons onderzoek laat zien dat interne geometrische structuren in een veer een centrale belangrijke rol spelen bij het verbeteren van het energieconversieproces voor bewegingen met een hoog vermogen, ' merkt Crosby op.

Het geheim bleek strategisch geplaatste elliptische - niet ronde - gaten aan de elastische band toe te voegen, zegt Liang. "Efficiëntie handhaven is niet intuïtief, het is erg moeilijk om te raden hoe je het moet doen voordat je ermee experimenteert. Maar je kunt beginnen met het vormen van een theorie als je eenmaal ziet hoe het experiment in de loop van de tijd verloopt. Je kunt gaan nadenken over hoe het werkt."

Hij vertraagde de actie om de klikkende beweging te zien in een synthetisch polymeer dat werkt als een rubberen band.

Liang ontdekte dat het structurele geheim zit in het ontwerpen van een gatenpatroon. "Zonder gaten rekt alles zich gewoon uit, ' merkt hij op. 'Maar met gaten, sommige delen van het materiaal zullen draaien en instorten." Wanneer gewone banden worden uitgerekt en teruggebogen, minder dan 70% van de opgeslagen energie wordt gebruikt voor krachtige bewegingen, de rest is verloren.

Daarentegen, het toevoegen van poriën transformeert de banden in mechanische metamaterialen die beweging creëren door middel van rotatie, legt Liang uit. Hij en Crosby laten zien dat met metamaterialen, meer dan 90% van de opgeslagen energie wordt gebruikt om beweging aan te drijven. "In de natuurkunde buigen bereikt dezelfde beweging met minder energie, dus als je het patroon van de poriën manipuleert, kun je de band zo ontwerpen dat hij inwendig buigt; het wordt een hoog rendement, ' voegt Crosby eraan toe.

"Dit laat zien dat we structuur kunnen gebruiken om eigenschappen in materialen te veranderen. Anderen wisten dat dit een interessante benadering was, maar we hebben het naar voren geschoven, vooral voor snelle bewegingen en de omzetting van elastische energie naar kinetische energie, of beweging."

De twee hopen dat deze vooruitgang robotici in hun MURI-team en anderen zal helpen met een prestatiedoel om hen te helpen bij het ontwerpen van zeer efficiënte, snelle kinetische robotsystemen.

Liang zegt, "Nu kunnen we enkele van deze structuren overdragen en zeggen:'Zo ontwerp je een veer voor je robots.' We denken dat de nieuwe theorie veel nieuwe ideeën en vragen oproept over hoe naar de biologie te kijken, hoe de weefsels zijn gestructureerd of hun schelpen zijn geconfigureerd om rotatie mogelijk te maken, waarvan we laten zien dat dit de sleutel is, " hij voegt toe.