Cuando presiona los círculos con hoyuelos en la tapa de una bebida de fuente, se vuelven convexos o cóncavos. Los materiales o estructuras que tienen dos estados estables demuestran un concepto llamado biestabilidad.
Un equipo de Purdue ha demostrado que una hoja estampada de estas cúpulas formará una piel que almacena energía: lo suficientemente fuerte para realizar tareas mecánicas, e incluso programable para almacenar y procesar datos como una computadora mecánica.
"La biestabilidad es un concepto importante que se encuentra en la naturaleza", dijo Andrés Arrieta, profesor asistente de ingeniería mecánica de Purdue. "Las tijeretas, por ejemplo, tienen alas biestables y plegables que se abren con muy poca energía. Estamos trabajandopara hacer estructuras programables inspiradas en esta biestabilidad ".
El equipo de Arrieta comenzó con una estructura simple: una hoja plana cuadrada de una pulgada con una cúpula emergente, impresa en 3D a partir de poliuretano termoplástico. Al presionar con un dedo, la cúpula se rompía para volverse convexa o cóncava.imprimieron una cuadrícula de 3 por 3 de estas cúpulas, comenzaron a presenciar nuevos comportamientos.
"Cuando inviertes dos cúpulas que están cerca de otra, comienzan a interactuar", dijo Arrieta. "Y cuando comienzas a hacer patrones de estas cúpulas en una hoja, la hoja misma comienza a curvarse globalmente. Dependiendo de qué cúpulas estén invertidas, obtienes diferentes formas. "
Comenzaron a experimentar con cuadrículas más grandes, presionando patrones más complejos. Al accionar ciertos domos presionándolos hacia adentro o hacia afuera, la hoja se formó en un cilindro, una estrella o una forma de silla de montar ". Estos domos biestables individuales se combinanpara formar un nuevo metamaterial, que a su vez tiene múltiples estados estables ", dijo Arrieta." Lo llamamos multiestabilidad jerárquica ".
¿Qué se puede hacer con la multiestabilidad jerárquica? Como demostración, el equipo de Arrieta construyó una pinza robótica simple, usando dos líneas de cúpulas. Cuando las cúpulas eran cóncavas, los brazos de la pinza permanecían abiertos. Pero aplicando una pequeña cantidad de presión de aire aaccione las cúpulas para que se vuelvan convexas, los brazos de agarre cerrados lo suficientemente apretados para agarrar y sostener un peso pequeño.
"Agarrar algo es fácil, pero mantener ese agarre requiere un gasto constante de energía", dijo Arrieta. "Esto es cierto tanto para humanos como para máquinas. Pero lo interesante de esta pinza es que cuando invertimos las cúpulas que hacen que la pinza se cierre,en realidad estamos almacenando energía en la piel. Los brazos de agarre están usando esa energía para mantener su agarre, en lugar de requerir alguna fuente de energía externa. En esencia, estamos usando la estructura misma como una batería mecánica. "
El trabajo ha sido publicado en las revistas Letras de mecánica extrema y ciencia avanzada .
Eventualmente, Arrieta espera utilizar la tecnología en robótica flexible. "Es difícil recrear una mano robótica que se agarre como una mano humana debido a la gran cantidad de motores y sensores requeridos", dijo. "Pero si lo hicimosla piel de estas hojas y los domos individuales impresos a diferentes alturas, entonces solo un grupo específico de ellos actuaría a diferentes niveles de presión de aire. Al programar ráfagas específicas de presión de aire, podríamos activar una matriz de domos para crear los estados de agarre multiestablesque necesitamos, con un mínimo de energía ".
Además de variar los atributos de altura, el equipo de Arrieta descubrió que accionar las cúpulas en un orden diferente produce formas radicalmente diferentes. Con estos tres atributos altura, posición y orden, incluso las pequeñas rejillas de cúpulas pueden producir un número notableposibles resultados. Esto lleva a Arrieta al siguiente paso: la computación mecánica.
"Cuando lo piensas, estos domos hacia arriba y hacia abajo se parecen mucho a los 1 y 0 de los datos informáticos", dijo Arrieta. "Podemos imaginar 'programar' una hoja como esta presionando los domos en ciertas ubicacionesen un cierto orden, y luego 'leer' esos datos mecánicamente en función de la forma de la hoja. Esto se puede hacer sin energía o un procesador central de ningún tipo. De esta manera, las máquinas del futuro funcionarán mucho más como animales, que usandetección y procesamiento mecánicos para reaccionar mucho más rápidamente ".
Si bien una gran cantidad de matemáticas y simulaciones por computadora contribuyen a esta investigación, simplemente sostener la hoja de cúpulas estampadas en sus manos es una herramienta de investigación poderosa y extrañamente satisfactoria ". Realmente no entendimos lo interesante que era hasta queEmpecé a jugar con él físicamente ", dijo Arrieta." Cuando se trata de estas cúpulas, el todo es definitivamente más grande que la suma de sus partes ".
Se ha presentado una patente provisional para esta tecnología de metamaterial a través de la Oficina de Comercialización de Tecnología de la Fundación de Investigación Purdue código de seguimiento 2020-DIAZ-69125.
El trabajo fue financiado en parte por la Universidad de Purdue, ETH Zu? Rich, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa contrato No. HR00112090010, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea subvención FA9550-17-1-0074 y laOficina Europea de Investigación y Desarrollo Aeroespacial subvención FA9550-16-1-0007. Este material se basó en el trabajo financiado por el Programa de becas de investigación para graduados de la Fundación Nacional de Ciencias con el número de subvención DGE-1333468.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Purdue . Original escrito por Jared Pike. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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