Metamaterial mekanis baru dapat menghalangi simetri gerak, menurut temuan

Metamaterials Explained Simply and Visually (Juni 2019).

Anonim

Insinyur dan ilmuwan di The University of Texas di Austin dan institut AMOLF di Belanda telah menemukan metamaterial mekanis pertama yang dengan mudah mentransfer gerakan dengan mudah dalam satu arah sambil memblokirnya di sisi lainnya, seperti yang dijelaskan dalam makalah yang diterbitkan pada 13 Februari di Nature.. Materi dapat dianggap sebagai perisai satu arah mekanis yang menghalangi energi masuk tetapi dengan mudah mentransmisikannya keluar dari sisi yang lain.

Para peneliti mengembangkan bahan mekanis nonreciprocal pertama menggunakan metamaterials, yang merupakan bahan sintetis dengan sifat yang tidak dapat ditemukan di alam.

Memutuskan simetri gerak dapat memungkinkan kontrol yang lebih besar pada sistem mekanis dan meningkatkan efisiensi. Metamaterial nonreciprocal ini berpotensi digunakan untuk merealisasikan jenis perangkat mekanis baru: misalnya, aktuator (komponen mesin yang bertanggung jawab untuk menggerakkan atau mengendalikan mekanisme) dan perangkat lain yang dapat meningkatkan penyerapan energi, konversi dan panen, robotik lunak dan prostetik.

Terobosan para peneliti terletak pada kemampuan untuk mengatasi timbal balik, sebuah prinsip mendasar yang mengatur banyak sistem fisik, yang memastikan bahwa kita mendapatkan respon yang sama ketika kita mendorong struktur yang sewenang-wenang dari arah yang berlawanan. Prinsip ini mengatur bagaimana sinyal berbagai bentuk berjalan di angkasa dan menjelaskan mengapa, jika kita dapat mengirim sinyal radio atau akustik, kita juga dapat menerimanya. Dalam mekanika, timbal balik menyiratkan bahwa gerakan melalui objek ditransmisikan secara simetris: Jika dengan mendorong di sisi A kita bergerak sisi B dengan jumlah tertentu, kita dapat mengharapkan gerakan yang sama di sisi A ketika mendorong B.

"Metamaterial mekanis yang kami buat menyediakan unsur-unsur baru dalam palet yang dapat dimanfaatkan oleh para ilmuwan untuk merancang struktur mekanis, " kata Andrea Alu, seorang profesor di Cockrell School of Engineering dan rekan penulis makalah ini. "Ini dapat menjadi minat yang ekstrim untuk aplikasi yang diinginkan untuk memecahkan simetri alami dengan mana perpindahan molekul bergerak dalam struktur mikro material."

Selama beberapa tahun terakhir, Alu, bersama dengan ilmuwan penelitian Cockrell School, Dimitrios Sounas dan anggota lain dari tim riset mereka, telah membuat terobosan menarik di bidang perangkat nonreciprocal untuk elektromagnetik dan akustik, termasuk realisasi pertama-of-mereka- jenis perangkat nonreciprocal untuk suara, gelombang radio dan cahaya. Ketika mengunjungi institut AMOLF di Belanda, mereka memulai kolaborasi yang bermanfaat dengan Corentin Coulais, peneliti AMOLF, yang baru-baru ini telah mengembangkan metamaterial mekanis. Interaksi mereka yang dekat menyebabkan terobosan ini.

Para peneliti pertama kali menciptakan metamaterial skala sentimeter buatan karet dengan desain kerangka tulang ikan yang dirancang khusus. Mereka menyesuaikan desainnya untuk memenuhi kondisi utama untuk memecah timbal balik, yaitu asimetri dan respons yang tidak sebanding secara linear dengan gaya yang diberikan.

"Struktur ini memberi kami inspirasi untuk desain metamaterial kedua, dengan sifat nonreciprocal yang luar biasa kuat, " kata Coulais. "Dengan mengganti elemen geometris sederhana dari metamaterial fishbone dengan arsitektur yang lebih rumit yang terbuat dari kotak dan berlian yang terhubung, kami menemukan bahwa kami dapat mematahkan sangat kuat kondisi untuk timbal balik, dan kami dapat mencapai respon nonreciprocal yang sangat besar."

Struktur materialnya adalah kisi-kisi kotak dan intan yang benar-benar homogen di seluruh sampel, seperti bahan biasa. Namun, setiap unit kisi sedikit dimiringkan dengan cara tertentu, dan perbedaan halus ini secara dramatis mengontrol cara metamaterial merespons rangsangan eksternal.

"Metamaterial secara keseluruhan bereaksi secara asimetris, dengan satu sisi yang sangat kaku dan satu sisi yang sangat lunak, " kata Sounas. "Hubungan antara unit asimetri dan lokasi sisi lembut dapat diprediksi oleh kerangka matematika yang sangat umum disebut topologi. Di sini, ketika unit arsitektur bersandar ke kiri, sisi kanan metamaterial akan sangat lunak, dan sebaliknya."

Ketika para peneliti menerapkan gaya pada sisi lembut metamaterial, dengan mudah menginduksi rotasi kotak dan berlian di dalam struktur, tetapi hanya di dekat titik tekanan, dan efeknya di sisi lain kecil. Sebaliknya, ketika mereka menerapkan gaya yang sama pada sisi yang kaku, gerakan merambat dan diperkuat di seluruh materi, dengan efek besar di sisi yang lain. Akibatnya, mendorong dari kiri atau dari hasil yang tepat dalam respon yang sangat berbeda, menghasilkan nonreciprocity besar bahkan untuk gaya yang diterapkan kecil.

Tim ini menantikan untuk memanfaatkan metamaterial mekanis topologi ini untuk berbagai aplikasi, mengoptimalkannya, dan mengukir perangkat dari mereka untuk aplikasi dalam soft robot, prosthetics dan pemanenan energi.

menu
menu