بلوک های ساختمانی جهانی سازه هایی با خصوصیات مکانیکی شگفت آور ایجاد می کنند


پیشرفتهای علمی (2020) doi / 10.1126 / sciadv.abc9943 “width =” 777 “height =” 480 “/>

چهار نوع فرامواد مکانیکی کاملاً مونتاژ شده. از چپ به راست: سخت ، سازگار ، پر زرق و برق و دستمال. (الف) قسمتهای قالب زده صورت. (B) تک وکسل ، نمای جلو. (C) مکعب 2 × 2 × 2 ، نمای جلو. (D) وکسل منفرد ، نمای مورب. (E) نمای شیب دار 2 × 2 × 2. میله های مقیاس ، 10 میلی متر (A) ، 25 میلی متر (B و D) و 50 میلی متر (C و E). عکس: بنجامین جنت ، MIT. اعتبار: پیشرفت علمی (2020) doi / 10.1126 / sciadv.abc9943

محققان در مرکز بیت ها و اتم های MIT بلوک های ساختمانی کوچکی ایجاد کرده اند که دارای ویژگی های مختلف مکانیکی منحصر به فردی مانند توانایی ایجاد حرکات پیچشی هنگام فشار دادن است. این واحدها به طور بالقوه می توانند توسط ربات های کوچک در تعداد تقریباً نامحدودی از سایت ها با قابلیت های داخلی مونتاژ شوند ، از جمله وسایل نقلیه ، قطعات بزرگ صنعتی یا ربات های تخصصی که می توانند به اشکال مختلف دوباره جمع شوند.

محققان چهار نوع مختلف از این زیرواحدها به نام voxels (تغییر پیکسل 3-D در تصویر 2-D) ایجاد کرده اند. هر نوع وکسل ویژگی های خاصی از خود به نمایش می گذارد که در مواد طبیعی معمولی یافت نمی شود و به صورت ترکیبی می توان از آنها برای ایجاد دستگاه هایی استفاده کرد که به روش های قابل پیش بینی به محرک های محیطی پاسخ می دهند. به عنوان مثال می توان به بال های هواپیما یا پره های توربین اشاره کرد که با تغییر شکل کلی آنها به تغییرات فشار هوا یا سرعت باد پاسخ می دهند.

یافته ها ، که جزئیات ایجاد یک خانواده از “فرامواد مکانیکی” گسسته را توصیف می کند ، در مقاله منتشر شده امروز در مجله پیشرفت علمی، نویسنده دانشجوی اخیر دکترای MIT ، دکترای بنیامین جانت ’20 ، پروفسور نیل گرشنفلد و چهار نفر دیگر.

فرامواد نام خود را می گیرند زیرا خصوصیات مقیاس آنها با خصوصیات ریز سطح مواد سازنده آنها متفاوت است. همچنین از آنها در الکترومغناطیس به عنوان مصالح “معماری” که در سطح ریزساختار آنها طراحی شده است ، استفاده می شود. گرشنفلد می گوید: “اما برای ایجاد خواص مکانیکی ماکروسکوپی به عنوان یک فرامادها کار زیادی انجام نشده است.”

گرشچنفلد گفت: با این رویکرد ، مهندسان باید قادر به ساخت سازه هایی باشند که شامل طیف گسترده ای از خواص مواد باشد – و آنها را با استفاده از همان مراحل تولید و مونتاژ مشترک تولید کنند.

وکسل ها از قطعه هایی با یک قاب مسطح از پلیمرهای تزریق شده مونتاژ می شوند و سپس به شکل های سه بعدی ترکیب می شوند که می توانند به ساختارهای عملکردی بزرگتر متصل شوند. آنها بیشتر فضای باز دارند و بنابراین در هنگام مونتاژ یک قاب بسیار سبک اما سفت و سخت ارائه می دهند. علاوه بر واحد سخت اولیه ، که ترکیبی استثنایی از قدرت و وزن سبک را فراهم می کند ، سه نوع دیگر از این وکسل ها نیز وجود دارد که هرکدام خاصیت غیرمعمولی متفاوت دارند.

وکسل های “auxetic” خاصیت عجیبی دارند که در آن یک مکعب از مواد هنگام فشرده شدن ، به جای بیرون زدگی از کنار ، در واقع به سمت داخل بیرون می زند. این اولین نمایش چنین موادی است که با روشهای معمول و ارزان تولید می شود.

وکسل های “سازگار” نیز وجود دارد ، با نسبت پواسون صفر ، که تا حدی شبیه خاصیت auxetic است ، اما در این حالت ، وقتی مواد فشرده می شوند ، طرفین به هیچ وجه شکل خود را تغییر نمی دهند. مواد کمی شناخته شده این ویژگی را نشان می دهد که اکنون می توان از طریق این رویکرد جدید تولید کرد.

سرانجام ، واکسل های “دست ساز” با یک حرکت پیچشی به فشرده سازی محوری یا کشش پاسخ می دهند. باز هم ، این یک ویژگی غیر معمول است. تحقیقاتی که از طریق تکنیک های پیچیده تولید چنین ماده ای را تولید می کند ، سال گذشته به عنوان یافته مهم مورد استقبال قرار گرفت. این کار باعث می شود تا این ویژگی در مقیاس کلان به راحتی قابل دسترسی باشد.

گرشچنفلد می گوید: “هر نوع دارایی مادی که ما نشان دهیم قبلاً حوزه مخصوص به خود بود.” “مردم فقط در مورد این یک خاصیت مقاله می نویسند. این اولین چیزی است که همه آنها را در یک سیستم واحد نشان می دهد.”

برای نشان دادن پتانسیل واقعی اشیا large بزرگ ساخته شده به روش LEGO از این واکسل های تولید انبوه ، تیمی که با مهندسان تویوتا کار می کند یک اتومبیل مسابقه ای فوق مسافت پیموده شده را ایجاد کردند که آنها آن را در خیابان ها و طی یک کنفرانس بین المللی رباتیک به نمایش گذاشتند. اوایل امسال

جانت گفت ، آنها قادر به جمع آوری ساختار سبک و با عملکرد بالا در عرض فقط یک ماه بودند ، در حالی که ساخت یک سازه قابل مقایسه با استفاده از روشهای معمول ساخت فایبرگلاس یک سال به طول انجامید.

در طول تظاهرات ، خیابان ها با باران لغزنده بودند و ماشین مسابقه سرانجام به یک مانع برخورد کرد. در کمال تعجب همه ، ساختار داخلی جلو پنجره مشبک مانند تغییر شکل داده و پس از آن برگشت ، شوک را با آسیب کم جذب کرد. جانت می گوید ، یک ماشین ساخت معمولی احتمالاً اگر از فلز ساخته شده باشد به شدت مقعر خواهد بود یا اگر مرکب باشد ، شکسته می شود.

این اتومبیل نمایشی واضح از این واقعیت داشت که از این قطعات کوچک می توان واقعاً برای ساخت دستگاههای عملکردی در اندازه انسان استفاده کرد. گرشنفلد خاطرنشان كرد ، در ساختار اتومبیل ، “اینها قطعاتی نیستند كه به چیز دیگری متصل شوند. كلی چیز از این قطعات ساخته نشده است” ، به جز موتورها و منبع تغذیه.

از آنجا که وکسل ها از همان اندازه و ترکیب هستند ، می توان آنها را به هر روشی که لازم باشد ترکیب کرده و عملکردهای مختلفی را برای دستگاه حاصل فراهم کنید. گرشنفلد می گوید: “ما می توانیم طیف گسترده ای از خواص مواد را که قبلاً بسیار تخصصی تلقی می شدند ، پوشش دهیم. “موضوع این است که شما مجبور نیستید یک خاصیت را انتخاب کنید. به عنوان مثال می توانید رباتهایی بسازید که در یک جهت خم شوند و در جهت دیگر سفت و سخت باشند و فقط به روشهای خاصی حرکت کنند. بنابراین تغییر بزرگ نسبت به کارهای قبلی ما آیا این توانایی شامل بسیاری از خصوصیات مکانیکی ماده ای است که قبلا به طور جداگانه در نظر گرفته شده است. “

ژانت که بیشتر این کارها را به عنوان مبنای رساله دکترای خود انجام می دهد ، می گوید که “این قطعات ارزان ، تولید آسان و بسیار سریع جمع می شوند و شما می توانید این مجموعه از خصوصیات را در یک سیستم بدست آورید. همه آنها با یکدیگر سازگار هستند ، بنابراین همه این انواع مختلف از ویژگی های عجیب و غریب وجود دارد ، اما همه آنها در یک سیستم مقیاس پذیر و ارزان با یکدیگر بازی خوبی دارند. “

گرششنفلد می گوید: “به تمام قطعات سخت و متحرک ماشین ها و روبات ها ، قایق ها و هواپیماها فکر کنید.” “و ما می توانیم همه این موارد را با همین سیستم پوشش دهیم.”

جنت می گوید ، یک عامل کلیدی این است که ساختاری که از یک نوع از این وکسل ها تشکیل شده باشد دقیقاً همان رفتار خود زیر واحد را خواهد داشت. “ما توانستیم نشان دهیم که مفاصل هنگام قرار دادن قطعات به طور م disappearثر از بین می روند. این رفتار مانند یک ماده پیوسته ، یک ماده یکپارچه است.”

گرشچنفلد می گوید ، گرچه تحقیقات رباتیک تمایل دارد بین روبات های سخت و نرم تقسیم شود ، “این هیچ کدام نیست” ، به دلیل پتانسیل آن برای مخلوط کردن و مطابقت این ویژگی ها در یک دستگاه.

جانت می گوید ، یکی از کاربردهای اولیه این فناوری می تواند ساخت پره های توربین بادی باشد. با بزرگتر شدن این سازه ها ، انتقال پره ها به محل کار آنها به یک مشکل لجستیکی جدی تبدیل می شود ، در حالی که اگر آنها از هزاران زیر واحد کوچک جمع شوند ، می توان این کار را در محل انجام داد و مشکل حمل و نقل برطرف می شود. به همین ترتیب ، دفع پره های توربین دست دوم به دلیل بزرگ بودن و عدم قابلیت بازیافت در حال تبدیل شدن به یک مشکل جدی است. اما می توان تیغه های ساخته شده از واکسل های کوچک را در محل جدا کرد و سپس از واکسل ها برای انجام کار دیگری استفاده مجدد کرد.

علاوه بر این ، تیغه ها خود می توانند کارآیی بیشتری داشته باشند ، زیرا می توانند ترکیبی از خواص مکانیکی طراحی شده در سازه را داشته باشند تا به آنها اجازه دهد به صورت پویا ، منفعلانه به تغییرات قدرت باد پاسخ دهند.

به طور کلی ، جانت می گوید: “ما اکنون این سیستم ارزان و مقیاس پذیر را داریم ، بنابراین می توانیم هر آنچه را که می خواهیم طراحی کنیم. می توانیم چهار دست و پا بسازیم ، ربات شنا بسازیم ، ربات پرنده بسازیم. این انعطاف پذیری یکی از مزیت های اصلی سیستم است.”


ربات های مونتاژ کننده از قطعات کوچک سازه های بزرگی می سازند


اطلاعات بیشتر:
“فرامواد مکانیکی مجهز به احتیاط” پیشرفت علمی (2020) پیشرفتهای.سنسانمگ.org / چشم انداز … .1126 / sciadv.abc9943

تهیه شده توسط انستیتوی فناوری ماساچوست

نقل قول: بلوک های ساختمانی جهانی سازه هایی با خصوصیات مکانیکی شگفت آور ایجاد می کنند (2020 ، 18 نوامبر) ، استخراج شده در 18 نوامبر سال 2020 از https://phys.org/news/2020-11-versatile-blocks-mechanical-properties.html

این برگه یا سند یا نوشته تحت پوشش قانون کپی رایت است. به جز هر معامله عادلانه ای به منظور معاینه خصوصی یا تحقیق ، هیچ بخشی بدون اجازه کتبی قابل تولید نیست. این محتوا فقط برای اطلاع رسانی ارائه شده است.




منبع: moshaverh-news.ir

دیدگاهتان را بنویسید

Comment
Name*
Mail*
Website*