Investigadores del Centro de Bits y Átomos del MIT han creado pequeños bloques de construcción que exhiben una variedad de propiedades mecánicas únicas, como la capacidad de producir un movimiento de torsión cuando se aprietan. Estas subunidades podrían potencialmente ser ensambladas por pequeños robots en una variedad casi ilimitadade objetos con funcionalidad incorporada, incluidos vehículos, piezas industriales grandes o robots especializados que pueden reensamblarse repetidamente en diferentes formas.
Los investigadores crearon cuatro tipos diferentes de estas subunidades, llamadas vóxeles una variación en 3D de los píxeles de una imagen en 2D. Cada tipo de vóxel exhibe propiedades especiales que no se encuentran en los materiales naturales típicos, y en combinación se pueden utilizar para fabricar dispositivos.que responden a los estímulos ambientales de manera predecible. Por ejemplo, las alas de un avión o las palas de una turbina que responden a los cambios en la presión del aire o la velocidad del viento cambiando su forma general.
Los hallazgos, que detallan la creación de una familia de "metamateriales mecánicos" discretos, se describen en un artículo publicado hoy en la revista avances científicos , escrito por el reciente doctorado del MIT Benjamin Jenett PhD '20, el profesor Neil Gershenfeld y otros cuatro.
Los metamateriales reciben su nombre porque sus propiedades a gran escala son diferentes de las propiedades a nivel micro de los materiales que los componen. Se utilizan en electromagnetismo y como materiales "arquitectónicos", que se diseñan al nivel de su microestructura. "Pero no ha habido".Se ha avanzado mucho en la creación de propiedades mecánicas macroscópicas como metamaterial ", dice Gershenfeld.
Con este enfoque, los ingenieros deberían poder construir estructuras que incorporen una amplia gama de propiedades de los materiales y producirlas todas utilizando los mismos procesos de producción y ensamblaje compartidos, dice Gershenfeld.
Los vóxeles se ensamblan a partir de piezas de marco plano de polímeros moldeados por inyección, luego se combinan en formas tridimensionales que se pueden unir en estructuras funcionales más grandes. En su mayoría son espacios abiertos y, por lo tanto, proporcionan un marco extremadamente ligero pero rígido cuando se ensamblan.La unidad rígida básica, que proporciona una combinación excepcional de fuerza y peso ligero, hay otras tres variaciones de estos vóxeles, cada una con una propiedad inusual diferente.
Los vóxeles "auxéticos" tienen una propiedad extraña en la que un cubo del material, cuando se comprime, en lugar de abultarse en los lados, en realidad se abulta hacia adentro. Esta es la primera demostración de un material de este tipo producido mediante métodos de fabricación convencionales y económicos.
También hay vóxeles "compatibles", con una relación de Poisson cero, que es algo similar a la propiedad auxética, pero en este caso, cuando el material se comprime, los lados no cambian de forma en absoluto. Pocos materiales conocidos exhiben estopropiedad, que ahora se puede producir a través de este nuevo enfoque.
Finalmente, los vóxeles "quirales" responden a la compresión axial o estiramiento con un movimiento de torsión. Una vez más, esta es una propiedad poco común; la investigación que produjo uno de esos materiales a través de complejas técnicas de fabricación fue aclamada el año pasado como un hallazgo significativo. Este trabajo hace que estopropiedad fácilmente accesible a escalas macroscópicas.
"Cada tipo de propiedad material que estamos mostrando ha sido previamente su propio campo", dice Gershenfeld. "La gente escribiría artículos sobre esa única propiedad. Esto es lo primero que muestra todos ellos en un solo sistema".
Para demostrar el potencial del mundo real de los objetos grandes construidos al estilo de LEGO a partir de estos vóxeles producidos en masa, el equipo, en colaboración con ingenieros de Toyota, produjo un coche de carreras funcional de super kilometraje, que demostraron.en las calles durante una conferencia internacional de robótica a principios de este año.
Pudieron ensamblar la estructura liviana y de alto rendimiento en solo un mes, dice Jenett, mientras que construir una estructura comparable usando métodos de construcción de fibra de vidrio convencionales les había llevado un año.
Durante la demostración, las calles estaban resbaladizas por la lluvia y el auto de carrera terminó chocando contra una barrera. Para sorpresa de todos los involucrados, la estructura interna en forma de celosía del auto se deformó y luego rebotó, absorbiendo el impacto con poco daño.Un automóvil construido de manera convencional, dice Jenett, probablemente se habría abollado severamente si estuviera hecho de metal, o se habría hecho añicos si hubiera sido compuesto.
El automóvil brindó una demostración vívida del hecho de que estas partes diminutas se pueden usar para fabricar dispositivos funcionales a escalas de tamaño humano. Y, señala Gershenfeld, en la estructura del automóvil, "estas no son partes conectadas aalgo más. Todo está hecho de nada más que estas partes, "excepto por los motores y la fuente de alimentación.
Debido a que los vóxeles son uniformes en tamaño y composición, se pueden combinar de cualquier forma necesaria para proporcionar diferentes funciones para el dispositivo resultante. "Podemos abarcar una amplia gama de propiedades de materiales que antes se consideraban muy especializadas", dijo Gershenfeld.dice. "El punto es que no tienes que elegir una propiedad. Puedes hacer, por ejemplo, robots que se doblen en una dirección y estén rígidos en otra dirección y se muevan solo de ciertas maneras. Y así, el gran cambionuestro trabajo anterior es esta capacidad de abarcar múltiples propiedades mecánicas de los materiales, que antes ahora se han considerado de forma aislada ".
Jenett, quien llevó a cabo gran parte de este trabajo como base para su tesis doctoral, dice que "estas piezas son de bajo costo, fáciles de producir y muy rápidas de ensamblar, y se obtiene esta gama de propiedades en un solo sistema.Todos son compatibles entre sí, por lo que existen todos estos tipos diferentes de propiedades exóticas, pero todas funcionan bien entre sí en el mismo sistema escalable y económico ".
"Piense en todas las piezas rígidas y móviles de los coches, robots, barcos y aviones", dice Gershenfeld. "Y podemos abarcar todo eso con este único sistema".
Un factor clave es que una estructura compuesta por un tipo de estos vóxeles se comportará exactamente de la misma manera que la subunidad misma, dice Jenett. "Pudimos demostrar que las uniones desaparecen efectivamente cuando se ensamblan las partes.se comporta como un material continuo y monolítico. "
Mientras que la investigación en robótica ha tendido a dividirse entre robots duros y blandos, "esto no es ninguno de los dos", dice Gershenfeld, debido a su potencial para mezclar y combinar estas propiedades dentro de un solo dispositivo.
Una de las posibles aplicaciones tempranas de esta tecnología, dice Jenett, podría ser para construir las palas de las turbinas eólicas. A medida que estas estructuras se vuelven cada vez más grandes, transportar las palas a su sitio de operación se convierte en un problema logístico serio, mientras que si se ensamblande miles de pequeñas subunidades, ese trabajo se puede hacer en el sitio, eliminando el problema del transporte. Del mismo modo, la eliminación de palas de turbinas usadas ya se está convirtiendo en un problema grave debido a su gran tamaño y falta de reciclabilidad. Pero las palas compuestas de pequeñasLos vóxeles se pueden desmontar en el sitio y los vóxeles luego se pueden reutilizar para hacer otra cosa.
Y además, las palas en sí mismas podrían ser más eficientes, porque podrían tener una combinación de propiedades mecánicas diseñadas en la estructura que les permitiría responder de forma dinámica, pasiva, a los cambios en la fuerza del viento, dice.
En general, Jenett dice: "Ahora tenemos este sistema escalable de bajo costo, por lo que podemos diseñar lo que queramos. Podemos hacer cuadrúpedos, podemos hacer robots que nadan, podemos hacer robots voladores. Esa flexibilidad es uno de loslos beneficios clave del sistema. "
El equipo de investigación incluyó a Filippos Tourlomousis, Alfonso Parra Rubio y Megan Ochalek en el MIT, y Christopher Cameron en el Laboratorio de Investigación del Ejército de los EE. UU. El trabajo fue apoyado por la NASA, el Laboratorio de Investigación del Ejército de los EE. UU. Y el Centro de Consorcios de Bits y Átomos.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por David L. Chandler. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
Referencia de la revista :
cite esta página :