В физике созданных человеком и многих природных систем преобразование энергии из одной формы в другую обычно означает потерю большого количества этой энергии, говорят первый автор Сюйдун Лян и старший научный сотрудник Альфред Кросби. «Всегда существует высокая стоимость, и большая часть энергии при преобразовании теряется», – говорит Кросби. "Но мы обнаружили по крайней мере один механизм, который значительно помогает.Подробная информация содержится в письмах о физических проверках.
Используя высокоскоростную визуализацию, Лян и Кросби измерили мельчайшие детали отдачи или щелчка, движение эластичных лент, которые могут достигать ускорений и скоростей, подобных многим естественным биологическим системам, которые их вдохновляли. Экспериментируя с различными формами эластичных лент, они обнаружили механизм имитации быстрого движения муравья и мухоловки, импульсных событий большой мощности с минимальными потерями энергии.
Лян, который сейчас работает на факультете в Бингемтонском университете, и Кросби входят в группу, в которую входят робототехники и биологи во главе с бывшим экспертом Университета Массачусетса в Амхерсте Шейлой Патек, ныне работающей в Университете Дьюка.
В течение многих лет она изучала чрезвычайно быстрое движение хищных придатков креветок-богомолов. Их мульти-институциональную команду поддерживает U.S. Грант Армейской междисциплинарной университетской исследовательской инициативы (MURI), финансируемый U. S. Армейская научно-исследовательская лаборатория и ее исследовательский офис.
В ходе наблюдений и экспериментов Лян обнаружил основные условия, при которых энергия наиболее сохраняется, а также фундаментальную физику, и представил то, что Кросби назвал «действительно красивой теорией и уравнениями», чтобы подтвердить свои выводы. «Наше исследование показывает, что внутренние геометрические структуры внутри пружины играют центральную роль в улучшении процесса преобразования энергии для мощных движений», – отмечает Кросби.
Оказалось, что секрет заключается в добавлении к резинке стратегически расположенных эллиптических, а не круглых отверстий, говорит Лян. «Поддержание эффективности не интуитивно понятно, очень сложно догадаться, как это сделать, прежде чем экспериментировать с этим. Но вы можете приступить к формированию теории, как только увидите, как продвигается эксперимент с течением времени. Вы можете начать думать о том, как это работает."
Он замедлил движение, чтобы наблюдать за щелчком в синтетическом полимере, который действует как резинка.
Лян обнаружил, что структурный секрет заключается в создании схемы отверстий. «Без дырок все просто тянется», – отмечает он. "Но с отверстиями некоторые участки материала будут разворачиваться и разрушаться."Когда простые ленты растягиваются и отталкиваются, менее 70% накопленной энергии используется для мощного движения, остальная часть теряется.
Напротив, добавление пор превращает полосы в механические метаматериалы, которые создают движение посредством вращения, объясняет Лян. Он и Кросби демонстрируют, что с помощью метаматериалов более 90% накопленной энергии используется для движения. «В физике изгибание выполняет то же движение с меньшей энергией, поэтому, когда вы манипулируете рисунком пор, вы можете сконструировать ремешок так, чтобы он изгибался изнутри; он становится более эффективным», – добавляет Кросби.
"Это показывает, что мы можем использовать структуру для изменения свойств материалов.
Другие знали, что это интересный подход, но мы продвинули его вперед, особенно для высокоскоростного движения и преобразования упругой энергии в кинетическую энергию или движение."
Эти двое надеются, что это достижение поможет робототехникам из их команды MURI и другим специалистам с целью повышения производительности, чтобы помочь им разработать высокоэффективные, быстрые кинетические робототехнические системы.
Лян говорит: «Теперь мы можем передать некоторые из этих структур и сказать:« Вот как спроектировать пружину для ваших роботов ».«Мы думаем, что новая теория открывает много новых идей и вопросов о том, как смотреть на биологию, как ткани структурированы или их оболочки настроены так, чтобы позволить вращение, которое, как мы показываем, является ключевым», – добавляет он.