Программируемые жидкостные наконечники для широкого спектра применений исследовать

Международная группа ученых создала жидкий метаматериал, или «метажидкость», которым можно манипулировать, изменяя его свойства, такие как вязкость и прозрачность.

Создатели материала обнаружили, что он ведет себя как ньютоновская жидкость в своем естественном состоянии – когда ее вязкость пропорциональна только температуре – но как разжижающаяся при сдвиге неньютоновская жидкость при сжатии, что предполагает диапазон возможных применений от робототехники до поглощения ударов. .¹

Хотя большинство метаматериалов представляли собой искусственные твердые тела с желаемыми свойствами, такими как направленный поток электромагнитного излучения.² Подобно свету, экспериментальная метафизическая жидкость направлена ​​на то, чтобы ввести некоторые из этих элементов в жидкую форму.

Новая метажидкость состоит из сотен тысяч сферических эластичных оболочек размером в среднем 250 микрометров, изготовленных из силиконовой резины и наполненных воздухом, взвешенным в силиконовом масле. В нормальных условиях оболочки сохраняют свою сферическую форму и рассеивают свет, что делает метажидкость непрозрачной. Но когда жидкость сжимается выше критического уровня давления, который можно регулировать в процессе производства, оболочки сжимаются, принимая форму полумесяца. Тогда сверхтекучая жидкость действует неньютоновским образом: ее вязкость уменьшается по мере течения, а также она становится прозрачной для света, а схлопнувшиеся оболочки действуют как крошечные линзы. При уменьшении давления оболочки вновь обретают сферическую форму.

Великий автор Катя БертольдиЭтот метод создания метажидкости имеет множество возможностей, говорит профессор прикладной механики Гарвардского университета. «Складные оболочки демонстрируют интересное поведение в жидкости, и это может расширить их функциональность и привести к свойствам, зависящим от состояния», — говорит она.

Чтобы проверить полезность своего подхода, исследователи использовали версию своего сверхтекучего материала, содержащую два типа складных оболочек, в роботизированном гидравлическом захвате — один тип оболочки схлопывался при давлении около 60 кПа, а другой — при давлении около 350 кПа. Затем они использовали захваты, чтобы захватывать объекты разного размера и силы давления.

Традиционной гидравлической системе, использующей воздух или воду, потребуется какой-то внешний датчик или элемент управления, чтобы иметь возможность регулировать захват, чтобы удерживать различные объекты, не ломая их. Но роботизированный захват, использующий метафизическую жидкость, смог поднять тяжелую стеклянную бутылку, яйцо и ягоду без каких-либо дополнительных датчиков или контроля: вместо этого метажидкость сама реагировала на различные требуемые давления.

Будущие исследования будут сосредоточены на изменениях в термодинамике и акустике сверхтекучих жидкостей, что «позволяет улучшить термодинамический цикл и настраиваемое распространение звука», пишут исследователи. «Универсальность этих сверхтекучих жидкостей открывает множество возможностей для их функциональности», — добавили они.

физический Корантен КолетНекоторые предыдущие исследования рассматривали возможности использования таких метажидкостей в роботах, но «это продвигает тему гораздо дальше», — говорит человек, изучающий мягкую материю и метаматериалы в Университете Амстердама, но не принимавший участия в новом исследовании.

Он указывает, что метажидкости должны состоять не только из взвешенных шариков, но и из других типов суспензий, а также из совершенно других материалов. «Узким местом всегда является создание подобных вещей», — говорит он. «Это во многом ограничивает то, что вы можете сделать и что вы можете себе представить».

физический Антон СусловИдея «особенно интересна», говорит Идеев, изучающий мягкие материалы и механические метаматериалы в Кембриджском университете, но также не принимавший участия. «Поток жидкости окружает нас повсюду, и эта работа демонстрирует богатство новых явлений потока, которые могут быть достигнуты, когда основная жидкость состоит из суператомов», — говорит он.