Entonces, ¿es posible desarrollar un nuevo material con múltiples propiedades que pueda utilizarse en muchos campos? Los científicos de todo el mundo están explorando cómo resolver este problema.
Recientemente, investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y el Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. han desarrollado con éxito un nuevo material con muchas propiedades que no sólo es de bajo costo, fácil de fabricar y fácil de ensamblar. Muy rápido. Incluso se asociaron con Toyota para producir un práctico corredor de súper kilometraje.
El artículo relacionado se titula "Metamateriales mecánicos discretamente ensamblados" y se publicó en línea como artículo de portada en la revista científica "Science Advances" el 5438 de junio+065438+18 de octubre de 2008.
Al igual que la biónica y el diseño integrado, este nuevo material será una nueva herramienta muy poderosa que puede ayudarnos a "obtener el doble de resultados con la mitad de esfuerzo", dijeron los investigadores. Los robots pueden producir objetos grandes y complejos, como automóviles, robots y palas de turbinas eólicas, ensamblando subunidades hechas de estos materiales.
Esta investigación también contó con el apoyo de la NASA (Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio).
Para demostrar el potencial de estos materiales para construir objetos grandes en forma de LEGO en el mundo real, los investigadores trabajaron con ingenieros de Toyota para producir un auto de carreras funcional de gran kilometraje y lo demostraron anteriormente en una competencia internacional de robótica. este año. Expuesto en la conferencia.
Benjamin Jenett, uno de los autores del artículo, dijo que podrían ensamblar una estructura liviana y de alto rendimiento en solo un mes, lo que habría requerido el uso de métodos tradicionales de construcción con fibra de vidrio. Se necesitaría un año para construir una similar. estructura.
Durante la exposición, la superficie de la carretera se volvió resbaladiza debido a la lluvia, lo que provocó que el coche finalmente chocara contra un obstáculo. Sin embargo, para sorpresa de todos, aunque la estructura interna de celosía del automóvil se deformó, "rebotó" y absorbió el impacto del impacto casi sin sufrir daños.
Janet dijo que si el coche está hecho de metal tradicional, la carrocería puede sufrir graves abolladuras, mientras que si está hecha de materiales compuestos, puede romperse. Este auto de carreras realmente muestra cómo estas pequeñas piezas pueden usarse para crear dispositivos funcionales de tamaño humano.
Debido a que estos materiales son esencialmente del mismo tamaño y composición, se pueden combinar de cualquier forma necesaria para proporcionar diferentes funciones para dispositivos más grandes.
Al respecto, el Dr. Neil Gershenfeld, uno de los autores del artículo, dijo: "Podemos usar estos materiales para hacer un robot que se doble en una dirección pero que sea rígido en otra dirección". Solo puede moverse de maneras específicas, por lo que el mayor cambio en comparación con nuestro trabajo anterior es que puede combinar las propiedades de varios materiales mecánicos”.
Entonces, ¿qué tipo de materiales pueden darle a los automóviles esta capacidad?
Los investigadores llaman a este nuevo tipo de material "metamateriales mecánicos", llamados así porque sus propiedades macroscópicas difieren de las propiedades microscópicas de los materiales que los constituyen.
En este trabajo crearon cuatro tipos diferentes de microsubunidades, también llamadas vóxeles. Son metamateriales mecánicos rígidos, metamateriales mecánicos dóciles, metamateriales mecánicos auxéticos y metamateriales mecánicos quirales.
Los voxels se ensamblan a partir de una estructura de paneles planos de polímero moldeados por inyección, desde pequeños hasta grandes, que pueden ensamblarse en formas tridimensionales y luego conectarse a estructuras funcionales más grandes. La mayoría de ellos presentarán un espacio diáfano, proporcionando un marco de montaje muy ligero pero rígido. Cada tipo de vóxel exhibe propiedades especiales que no se encuentran en los materiales naturales.
Los voxels rígidos se caracterizan por su alta resistencia y peso ligero.
Un vóxel "compatible" tiene una relación de Poisson de cero, que es algo similar a la propiedad de expansión. Pero en este caso, la forma lateral del material no cambia cuando se comprime el material. Hay pocos materiales conocidos que exhiban esta propiedad. Ahora, los investigadores tienen una nueva forma de producir este material.
Los vóxeles de "crecimiento" tienen características inusuales. Cuando se comprime, el cubo de materia en realidad se expande hacia adentro en lugar de hacia los lados.
Esta es la primera vez que este material se produce y demuestra utilizando métodos de fabricación tradicionales y económicos.
Los vóxeles quirales se caracterizan por un movimiento de torsión en respuesta a una compresión o estiramiento axial. Nuevamente, ésta es una propiedad inusual.
Al mismo tiempo, los investigadores pueden combinarlos para crear dispositivos que respondan a estímulos ambientales de manera predecible. Al igual que las alas de los aviones o las palas de las turbinas, responden a los cambios en la presión del aire o la velocidad del viento cambiando su forma general.
A este respecto, Gershenfeld dijo: "Cada propiedad que demostramos se ha utilizado antes en un campo independiente, y los científicos solo han realizado investigaciones basadas en una de ellas. Esta es la primera vez que se han demostrado tantas propiedades. han sido combinados Integrados en un solo sistema”
Estos materiales no sólo son baratos, fáciles de fabricar y rápidos de ensamblar, sino que también son compatibles entre sí. Por lo tanto, pueden tener muchos tipos diferentes de propiedades exóticas al mismo tiempo, funcionando muy bien en el mismo sistema escalable y económico.
La clave que hace que este material sea tan especial es que cuando se le aplica tensión, la estructura formada por dichos vóxeles cambia exactamente de la misma manera que las propias subunidades. El estudio demostró que cuando los investigadores juntaron las partes, todas las conexiones se acoplaron "perfectamente" en un todo continuo.
Jenett cree que una aplicación temprana de esta tecnología podría utilizarse para fabricar palas de turbinas eólicas. A medida que las estructuras de las palas de las turbinas eólicas se hacen cada vez más grandes, el transporte de las palas al lugar de trabajo se ha convertido en un grave problema de transporte, que podría eliminarse si las palas se ensamblaran a partir de miles de pequeñas subunidades en el lugar de trabajo.
Mientras tanto, la eliminación de palas de turbinas desechadas se ha convertido en un grave problema debido a su gran tamaño y su falta de reciclabilidad. Las hojas hechas de pequeños vóxeles se pueden desmontar en el sitio y reutilizarse para hacer otra cosa.
Además, las propias palas serán más eficientes porque tienen una variedad de propiedades mecánicas que pueden responder dinámica y cómodamente a los cambios en la intensidad del viento.
Este nuevo material también podría dotar de poderes a los robots. Los robots actuales son robots rígidos o robots flexibles. Si los robots están dotados de diversas propiedades mecánicas, tal vez adquieran más habilidades inesperadas.
“Ahora tenemos este sistema escalable y de bajo costo. Podemos diseñar cualquier objeto que queramos, como cuadrúpedos, robots nadadores y robots voladores. La flexibilidad requerida para estos objetos también es una de las. principales ventajas de este sistema”, añadió Jnett.
Para esta investigación, el profesor Amaury Lovins de la Universidad de Stanford dijo: "Esta tecnología puede crear superficies de vuelo aeroespaciales de bajo costo, duraderas y muy livianas, como las alas de los pájaros. Asimismo, podría cambiar de forma fácil y continuamente Además, podría acercar la masa vacía de un automóvil a su carga útil, ya que sus estructuras de choque son en su mayoría aire; e incluso podría permitir que las carcasas esféricas alcancen niveles sin precedentes de resistencia a la compresión, haciendo que la carga útil neta de un globo de vacío sea libre de helio. flotando en el aire docenas de veces más que un gran avión a reacción”.
Creo que la aparición de este nuevo material puede brindar posibilidades ilimitadas para la investigación científica y la vida en el futuro.
Materiales de referencia:
https://advances.sciencemag.org/content/6/47/eabc9943
https://advances.sciencemag org. /content/Suppl/2020/11/16/6.47 eabc 9943 DC 1
https://news.edu/2020/versatile-building-blocks-1118.