Metamaterial yang sangat memuaskan menyimpan energi di kulit mereka
Energy

Metamaterial yang sangat memuaskan menyimpan energi di kulit mereka


Peneliti Purdue telah mengembangkan cara agar material menyimpan energi di kulitnya melalui kubah yang tidak bisa dibalik. Kredit: Foto Universitas Purdue / Jared Pike

Saat Anda menekan lingkaran berlesung pipit pada tutup minuman air mancur, lingkaran tersebut akan menjadi cembung atau cekung. Bahan atau struktur yang memiliki dua keadaan stabil menunjukkan konsep yang disebut bistabilitas.

Tim Purdue telah mendemonstrasikan bahwa lembaran berpola dari kubah-kubah ini akan membentuk kulit penyimpan energi: cukup kuat untuk melakukan tugas-tugas mekanis, dan bahkan dapat diprogram untuk menyimpan dan memproses data seperti komputer mekanis.

“Bistabilitas adalah konsep penting yang ditemukan di alam,” kata Andres Arrieta, asisten profesor teknik mesin Purdue. “Earwigs, misalnya, memiliki bistable, sayap yang dapat dilipat yang mengepak ke keadaan terbuka dengan sedikit energi. Kami sedang bekerja untuk membuat struktur yang dapat diprogram yang terinspirasi dari bistabilitas ini.”

Tim Arrieta mulai dengan struktur sederhana: lembaran datar satu inci persegi dengan kubah pop-up, dicetak 3-D dari poliuretan termoplastik. Dengan menekan dengan satu jari, kubah akan patah menjadi cembung atau cekung. Ketika mereka mencetak kisi 3-kali-3 dari kubah-kubah ini, mereka mulai menyaksikan perilaku baru.

“Saat Anda membalikkan dua kubah yang berdekatan, mereka mulai berinteraksi,” kata Arrieta. “Dan ketika Anda mulai membuat pola kubah-kubah ini pada selembar kertas, lembaran itu sendiri mulai melengkung secara global. Bergantung pada kubah mana yang dibalik, Anda mendapatkan bentuk yang berbeda.”

Kredit: Universitas Purdue

Mereka mulai bereksperimen dengan kisi yang lebih besar, menekan pola yang lebih kompleks. Dengan menggerakkan kubah tertentu (menekannya masuk atau keluar), lembaran dibentuk menjadi silinder, bintang, atau bentuk pelana. “Kubah bi-stable individu ini bergabung untuk membentuk metamaterial baru, yang dengan sendirinya memiliki beberapa keadaan stabil,” kata Arrieta. “Kami menyebutnya multistabilitas hierarkis.”

Apa yang dapat Anda lakukan dengan multistabilitas hierarkis? Sebagai demonstrasi, tim Arrieta membuat robot gripper sederhana, menggunakan dua garis kubah. Saat kubahnya cekung, lengan gripper tetap terbuka. Tetapi dengan memberikan sedikit tekanan udara untuk menggerakkan kubah menjadi cembung, lengan gripper menutup cukup rapat untuk menggenggam dan menahan beban yang kecil.

“Menggenggam sesuatu itu mudah, tetapi mempertahankan pemahaman itu membutuhkan energi yang terus-menerus dikeluarkan,” kata Arrieta. “Ini berlaku untuk manusia dan mesin. Tapi yang menarik tentang gripper ini adalah saat kita membalik kubah yang membuat gripper menutup, sebenarnya kita menyimpan energi di kulit. Lengan gripper menggunakan energi itu untuk mempertahankan cengkeramannya, daripada membutuhkan sumber energi eksternal. Intinya, kami menggunakan struktur itu sendiri sebagai baterai mekanis. “

Karya tersebut telah diterbitkan di jurnal Surat Mekanika Ekstrim dan Ilmu Lanjutan.

Metamaterial yang sangat memuaskan menyimpan energi di kulit mereka

Saat distimulasi, material ini berubah bentuk sehingga cakar robotik dapat menggenggam suatu objek dan menahannya tanpa memerlukan sumber energi dari luar. Kredit: Video Universitas Purdue / Lab Struktur yang Dapat Diprogram

Akhirnya, Arrieta berharap bisa memanfaatkan teknologi ini dalam robotika yang fleksibel. “Sulit untuk menciptakan kembali tangan robotik yang menggenggam seperti tangan manusia karena banyaknya motor dan sensor yang dibutuhkan,” katanya. “Tetapi jika kita membuat kulit dari lembaran ini dan mencetak kubah individu pada ketinggian yang berbeda, maka hanya kelompok tertentu dari mereka yang akan bergerak pada tingkat tekanan udara yang berbeda. Dengan memprogram semburan tekanan udara tertentu, kita dapat mengaktifkan matriks kubah untuk ciptakan kondisi mencengkeram multistabil yang kita butuhkan, dengan energi minimal. “

Selain memvariasikan atribut ketinggian, tim Arrieta menemukan bahwa menggerakkan kubah dalam urutan yang berbeda menghasilkan bentuk yang sangat berbeda. Dengan tiga atribut ini — tinggi, posisi, dan keteraturan — bahkan kisi-kisi kubah yang kecil pun dapat menghasilkan hasil yang mungkin sangat banyak. Ini membawa Arrieta ke langkah berikutnya: komputasi mekanis.

“Jika dipikir-pikir, kubah naik-turun ini sangat mirip dengan data komputer 1 dan 0,” kata Arrieta. “Kita dapat membayangkan ‘memprogram’ lembaran seperti ini dengan menekan kubah di lokasi tertentu dalam urutan tertentu, dan kemudian ‘membaca’ data tersebut secara mekanis berdasarkan bentuk lembaran. Ini dapat dilakukan tanpa daya atau prosesor pusat apa pun. Dengan cara ini, mesin masa depan akan berfungsi lebih seperti hewan, yang menggunakan penginderaan dan pemrosesan mekanis untuk bereaksi jauh lebih cepat. “

Sementara banyak matematika dan simulasi komputer berkontribusi pada penelitian ini, hanya memegang lembaran berpola kubah di tangan Anda adalah alat investigasi yang ampuh, dan anehnya memuaskan. “Kami tidak begitu mengerti betapa menariknya itu sampai kami mulai bermain dengannya secara fisik,” kata Arrieta. “Dalam hal kubah ini, keseluruhannya pasti lebih besar daripada jumlah bagiannya.”


Kubah metana beku mungkin merupakan tanda peringatan untuk ledakan baru


Informasi lebih lanjut:
Jakob A. Faber dkk. Lembaran Metamaterial Bermotif Kubah, Ilmu Lanjutan (2020). DOI: 10.1002 / advs.202001955

Janav P. Udani dkk. Metastruktur mekanis yang dapat diprogram dari kubah yang dapat dibangun secara lokal, Surat Mekanika Ekstrim (2020). DOI: 10.1016 / j.eml.2020.101081

Disediakan oleh Universitas Purdue

Kutipan: Metamaterial yang sangat memuaskan menyimpan energi di kulit mereka (2020, 2 Desember) diakses 2 Desember 2020 dari https://techxplore.com/news/2020-12-oddly-metamaterials-energy-skin.html

Dokumen ini memiliki hak cipta. Selain dari transaksi yang adil untuk tujuan studi atau penelitian pribadi, tidak ada bagian yang boleh direproduksi tanpa izin tertulis. Konten disediakan untuk tujuan informasi saja.


Halaman Ini Di Persembahkan Oleh : Togel HK