[ad_1]
Инженеры из CU Boulder разработали новую резиноподобную пленку, которая может прыгать высоко в воздух, как кузнечик, — сама по себе и без вмешательства извне. Просто нагрейте его и смотрите, как он прыгает!
Исследователи описывают свои достижения в журнале Science Advances.
Они говорят, что подобные материалы могут однажды помочь воплотить «мягких роботов» (тех, которым не нужны шестерни или другие твердые компоненты для движения), чтобы прыгать или подниматься.
Материальная система реагирует примерно так же, как кузнечики прыгают, накапливая и высвобождая энергию в своих ногах, говорит соавтор исследования Тимоти Уайт.
«В природе многие приспособления, такие как нога кузнечика, используют накопленную энергию, такую как упругая нестабильность», — сказал Уайт, профессор Галлогли химической и биологической инженерии в Калифорнийском университете в Боулдере.
«Мы пытаемся создать синтетические материалы, которые имитируют эти природные свойства».
В новом исследовании используется необычное поведение класса материалов, называемых жидкокристаллическими эластомерами. Эти материалы представляют собой твердые и эластичные полимерные версии жидких кристаллов, используемых в ноутбуках или телевизионных дисплеях.
В ходе исследования команда изготовила небольшие пластины жидкокристаллических эластомеров размером с контактную линзу, а затем поместила их на горячую пластину.
Когда эти пленки нагревались, они начинали деформироваться, образуя конус, который поднимался вверх, пока внезапно и со взрывом не перевернулся наизнанку, подняв материал на высоту почти в 200 раз превышающую его собственную толщину всего за 6 миллисекунд.
«Это открывает новые возможности для использования полимерных материалов в таких приложениях, как мягкая робототехника, где нам часто нужен доступ к этим высокоскоростным и мощным исполнительным механизмам», — сказала ведущий автор исследования Тайлер Хебнер, получившая докторскую степень в области химической и биологической инженерии. в CU Boulder в 2022 году.
Случайное открытие
Хебнер, ныне научный сотрудник Орегонского университета, и ее коллеги почти случайно обнаружили это прыгающее поведение.
Она экспериментировала с разработкой различных видов жидкокристаллических эластомеров, чтобы увидеть, как они меняют свою форму при изменении температуры. Джозель Маккракен, старший научный сотрудник лаборатории Уайта, присоединилась к ней, чтобы наблюдать.
«Мы просто смотрели, как жидкокристаллический эластомер сидит на плите, и удивлялись, почему он не принимает форму, которую мы ожидали.
Он внезапно перепрыгнул со стадии тестирования на рабочую поверхность», — сказал Хебнер. «Мы оба просто смотрели друг на друга смущенно, но также и взволнованно».
Благодаря тщательным экспериментам и помощи сотрудников из Калифорнийского технологического института команда обнаружила, что заставляет их материал прыгать в высоту.
Уайт объяснил, что каждая из этих пленок состоит из трех слоев эластомера. По его словам, эти слои сжимаются при нагревании, но два верхних слоя сжимаются быстрее, чем нижний.
Это несоответствие в сочетании с ориентацией молекул жидких кристаллов внутри слоев приводит к тому, что пленка сжимается и принимает форму конуса. Это немного похоже на то, как окрашенный виниловый сайдинг может деформироваться под солнечными лучами.
По мере формирования конуса в пленке накапливается напряжение до тех пор, пока все сразу не лопнет! Конус переворачивается, хлопая по поверхности и подбрасывая материал. Одна и та же пленка может прыгать несколько раз без износа.
«Когда происходит такая инверсия, материал прорывается и, как детская игрушка-хлопушка, прыгает с поверхности», — сказал Уайт.
Прыжки вперед
Однако, в отличие от этих попперов, жидкокристаллические эластомеры команды универсальны.
Исследователи могут настроить свои пленки так, чтобы они подпрыгивали, например, когда им становится холодно, а не жарко. Они также могут дать фильмам ноги, чтобы они прыгали в определенном направлении.
Большинство роботов, вероятно, не смогут использовать такой эффект хлопков, чтобы заставить их части двигаться. Но Уайт сказал, что проект показывает, на что могут быть способны подобные виды материалов — хранить впечатляющее количество упругой энергии, а затем высвобождать ее за один раз. И, по словам Хебнера, проект принес в лабораторию немного веселья.
«Это яркий пример того, как фундаментальные концепции, которые мы изучаем, могут трансформироваться в проекты, которые работают сложным и удивительным образом», — сказала она.
Кузнечики, встречайте нового соперника.
Автор Дэниел Стрейн.
[ad_2]
Source