Wetenschap
Intelligente vloeistof:Onderzoekers ontwikkelen metavloeistof met programmeerbare respons
Onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hebben een programmeerbare metavloeistof ontwikkeld met instelbare veerkracht, optische eigenschappen, viscositeit en zelfs het vermogen om over te schakelen tussen een Newtoniaanse en een niet-Newtoniaanse vloeistof.
De eerste in zijn soort metafluid maakt gebruik van een suspensie van kleine elastomeerbolletjes – tussen de 50 en 500 micron – die bezwijken onder druk, waardoor de eigenschappen van de vloeistof radicaal veranderen. De metafluïde kan in alles worden gebruikt, van hydraulische actuatoren tot programmeerrobots, tot intelligente schokdempers die energie kunnen dissiperen, afhankelijk van de intensiteit van de impact, tot optische apparaten die van helder naar ondoorzichtig kunnen overgaan.
Het onderzoek is gepubliceerd in Nature .
"We staan nog maar aan het begin van wat mogelijk is met deze nieuwe vloeistofklasse", zegt Adel Djellouli, onderzoeksmedewerker materiaalkunde en werktuigbouwkunde bij SEAS en eerste auteur van het artikel. "Met dit ene platform kun je zoveel verschillende dingen doen op zoveel verschillende gebieden."
Metamaterialen – kunstmatig vervaardigde materialen waarvan de eigenschappen worden bepaald door hun structuur in plaats van door hun samenstelling – worden al jaren op grote schaal gebruikt in een reeks toepassingen. Maar de meeste materialen, zoals de metalenses die zijn ontwikkeld in het laboratorium van Federico Capasso, Robert L. Wallace hoogleraar toegepaste natuurkunde en Vinton Hayes Senior Research Fellow in Electrical Engineering bij SEAS, zijn solide.
"In tegenstelling tot vaste metamaterialen hebben metavloeistoffen het unieke vermogen om te stromen en zich aan te passen aan de vorm van hun container", aldus Katia Bertoldi, William en Ami Kuan Danoff hoogleraar Toegepaste Mechanica bij SEAS en senior auteur van het artikel. "Ons doel was om een metafluïde te creëren die niet alleen deze opmerkelijke eigenschappen bezit, maar ook een platform biedt voor programmeerbare viscositeit, samendrukbaarheid en optische eigenschappen."
Met behulp van een zeer schaalbare fabricagetechniek ontwikkeld in het laboratorium van David A. Weitz, Mallinckrodt hoogleraar natuurkunde en toegepaste natuurkunde bij SEAS, produceerde het onderzoeksteam honderdduizenden van deze zeer vervormbare bolvormige capsules gevuld met lucht en hing ze op in siliconenolie. . Wanneer de druk in de vloeistof toeneemt, storten de capsules in en vormen een lensachtige halve bol. Wanneer die druk wordt weggenomen, komen de capsules terug in hun bolvorm.
Die overgang verandert veel van de eigenschappen van de vloeistof, inclusief de viscositeit en opaciteit. Deze eigenschappen kunnen worden aangepast door het aantal, de dikte en de grootte van de capsules in de vloeistof te veranderen.
De onderzoekers demonstreerden de programmeerbaarheid van de vloeistof door de metavloeistof in een hydraulische robotgrijper te laden en de grijper een glazen fles, een ei en een bosbes te laten oppakken. In een traditioneel hydraulisch systeem dat wordt aangedreven door eenvoudige lucht of water, heeft de robot een soort sensor of externe controle nodig om zijn greep te kunnen aanpassen en alle drie de objecten op te kunnen pakken zonder ze te verpletteren.
Maar met de metafluide is detectie niet nodig. De vloeistof zelf reageert op verschillende drukken, waardoor de compliantie verandert om de kracht van de grijper aan te passen, zodat je een zware fles, een kwetsbaar ei en een kleine bosbes kunt oppakken, zonder extra programmering.
"We laten zien dat we deze vloeistof kunnen gebruiken om intelligentie toe te voegen aan een eenvoudige robot", zegt Djellouli.
Het team demonstreerde ook een vloeiende logische poort die opnieuw kan worden geprogrammeerd door de metafvloeistof te veranderen.
De metavloeistof verandert ook zijn optische eigenschappen wanneer hij wordt blootgesteld aan veranderende druk.
Wanneer de capsules rond zijn, verspreiden ze licht, waardoor de vloeistof ondoorzichtig wordt, net zoals luchtbellen ervoor zorgen dat belucht water er wit uitziet. Maar wanneer er druk wordt uitgeoefend en de capsules instorten, gedragen ze zich als microlenzen, waardoor het licht wordt gebundeld en de vloeistof transparant wordt. Deze optische eigenschappen kunnen worden gebruikt voor een reeks toepassingen, zoals e-inkten die van kleur veranderen op basis van de druk.
De onderzoekers toonden ook aan dat wanneer de capsules bolvormig zijn, de metavloeistof zich gedraagt als een Newtoniaanse vloeistof, wat betekent dat de viscositeit alleen verandert als reactie op de temperatuur. Wanneer de capsules echter worden ingeklapt, verandert de suspensie in een niet-Newtoniaanse vloeistof, wat betekent dat de viscositeit ervan zal veranderen als reactie op de schuifkracht:hoe groter de schuifkracht, hoe vloeibaarder deze wordt. Dit is de eerste metavloeistof waarvan is aangetoond dat deze overgaat tussen Newtoniaanse en niet-Newtoniaanse toestanden.
Vervolgens willen de onderzoekers de akoestische en thermodynamische eigenschappen van de metafluïde onderzoeken.
"De toepassingsruimte voor deze schaalbare, eenvoudig te produceren metavloeistoffen is enorm", zegt Bertoldi.
Harvard's Office of Technology Development heeft het intellectuele eigendom dat aan dit onderzoek is gekoppeld beschermd en onderzoekt commercialiseringsmogelijkheden.