Las trampas para moscas de Venus lo hacen, las hormigas de mandíbula trampa lo hacen, y ahora los científicos de materiales de la Universidad de Massachusetts Amherst también pueden hacerlo: descubrieron una forma de convertir eficientemente la energía elástica en un resorte en energía cinética para una alta aceleración., movimientos de velocidad extrema como lo hace la naturaleza.
En la física de muchos sistemas naturales y artificiales, convertir energía de una forma a otra generalmente significa perder mucha de esa energía, dicen el primer autor Xudong Liang y el investigador principal Alfred Crosby. "Siempre hay un alto costo yla mayor parte de la energía en una conversión se pierde ", dice Crosby." Pero hemos descubierto al menos un mecanismo que ayuda significativamente ". Los detalles están en Cartas de revisión física.
Usando imágenes de alta velocidad, Liang y Crosby midieron con gran detalle el movimiento de retroceso o chasquido de las bandas elásticas que pueden alcanzar aceleraciones y velocidades similares a muchos de los sistemas biológicos naturales que las inspiraron. Experimentando con diferentes conformaciones de bandas elásticas, descubrieron un mecanismo para imitar eventos de impulso de alta potencia y movimiento rápido de hormigas y atrapamoscas con una pérdida mínima de energía.
Liang, que ahora forma parte del cuerpo docente de la Universidad de Binghamton, y Crosby forman parte de un grupo que incluye a especialistas en robótica y biólogos dirigidos por la ex experta de UMass Amherst Sheila Patek, ahora en la Universidad de Duke. Ha estudiado el apéndice raptorial extremadamente rápido del camarón mantis.-snapping motion durante años. Su equipo de instituciones múltiples cuenta con el apoyo de una subvención de la Iniciativa de Investigación Universitaria Multidisciplinaria del Ejército de los EE. UU. MURI, por sus siglas en inglés financiada por el Laboratorio de Investigación del Ejército de los EE. UU. y su Oficina de Investigación.
En las observaciones y experimentos de Liang, descubrió las condiciones subyacentes donde la energía se conserva más, además de la física fundamental, y presenta lo que Crosby llama "algunas teorías y ecuaciones realmente hermosas" para respaldar sus conclusiones ". Nuestra investigación revela queLas estructuras geométricas dentro de un resorte juegan un papel de importancia central en la mejora del proceso de conversión de energía para movimientos de alta potencia ", señala Crosby.
El secreto resultó ser agregar agujeros elípticos, no circulares, estratégicamente colocados a la banda elástica, dice Liang. "Mantener la eficiencia no es intuitivo, es muy difícil adivinar cómo hacerlo antes de experimentar con él. Peropuede comenzar a formar una teoría una vez que vea cómo avanza el experimento a lo largo del tiempo. Puede comenzar a pensar en cómo funciona ".
Redujo la velocidad de la acción para observar el movimiento de chasquido en un polímero sintético que actúa como una goma elástica.
Liang descubrió que el secreto estructural está en el diseño de un patrón de agujeros. "Sin agujeros, todo simplemente se estira", señala. "Pero con agujeros, algunas áreas del material girarán y colapsarán". Cuando las bandas planas se estiran yretrocedido, menos del 70% de la energía almacenada se aprovecha para movimientos de alta potencia, el resto se pierde.
Por el contrario, agregar poros transforma las bandas en metamateriales mecánicos que crean movimiento a través de la rotación, explica Liang. Él y Crosby demuestran que con los metamateriales, más del 90% de la energía almacenada se usa para impulsar el movimiento ".física, la flexión logra el mismo movimiento con menos energía, por lo que cuando manipula el patrón de los poros, puede diseñar la banda para que se doble internamente; se vuelve de alta eficiencia ", agrega Crosby.
"Esto muestra que podemos usar la estructura para cambiar las propiedades de los materiales. Otros sabían que este era un enfoque interesante, pero lo hicimos avanzar, especialmente para el movimiento de alta velocidad y la conversión de energía elástica en energía cinética o movimiento".
Los dos esperan que este avance ayude a los roboticistas de su equipo MURI y a otros con un objetivo de rendimiento para ayudarlos a diseñar sistemas robóticos cinéticos rápidos y de alta eficiencia.
Liang dice: "Ahora podemos entregar algunas de estas estructuras y decir: 'Aquí se explica cómo diseñar un resorte para sus robots'. Creemos que la nueva teoría abre muchas ideas nuevas y preguntas sobre cómo mirar elbiología, cómo se estructuran los tejidos o cómo se configuran sus conchas para permitir la rotación que mostramos es la clave ", añade.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Massachusetts Amherst . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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