به گزارش خبرنگار علم و فناوری ایسکانیوز؛ در مطالعه‌ای که اخیراً در نیچر منتشر شده است، محققان توضیح می‌دهند که چگونه از اوریگامی، هنر تا کردن کاغذ، الهام گرفته‌اند تا ساختاری را طراحی کنند که شکاف بین رباتیک و علم مواد را پر می‌کند. نتیجه این تحقیق کشف یک متاماده است، نوعی ماده مهندسی شده که خواص منحصر به فرد آن از ساختار فیزیکی آن ناشی می‌شود تا ترکیب شیمیایی آن.
گلاوچیو پائولینو، استاد مهندسی دانشگاه پرینستون، گفت: شما می‌توانید بین یک ماده و یک ربات تبدیل شوید و با یک میدان مغناطیسی خارجی قابل کنترل است.
تیم تحقیقاتی دانشگاه پرینستون این متاماده را با استفاده از ترکیبی از پلاستیک‌های اولیه و کامپوزیت‌های مغناطیسی مخصوص طراحی شده ایجاد کردند. این ماده به شکلی ساخته شده است که با اعمال یک میدان مغناطیسی، ساختارش تغییر می‌کند و قادر به انبساط، حرکت و خم شدن در جهات مختلف، بدون تماس مستقیم، می‌شود.
اختراع متابات با الهام از اوریگامی
این تیم تحقیقاتی ساخته خود را «متابات» نامیدند؛ یعنی متاماده‌ای که می‌تواند شکل خود را تغییر داده و حرکت کند.
مینجی چن، نویسنده مقاله و دانشیار مهندسی برق و کامپیوتر و مرکز انرژی و محیط زیست اندلینگر در پرینستون، گفت: میدان‌های الکترومغناطیسی همزمان قدرت و سیگنال را حمل می‌کنند. هر رفتار بسیار ساده است، اما وقتی آنها را کنار هم قرار می‌دهید، رفتار می‌تواند بسیار پیچیده باشد.
او افزود: این تحقیق با نشان دادن اینکه گشتاور را می‌توان از راه دور، فوراً و دقیقاً از یک فاصله عبور داد تا حرکات پیچیده رباتیک را ایجاد کند، مرزهای الکترونیک قدرت را جابه‌جا کرده است.
متابات مجموعه‌ای مدولار از بسیاری از سلول‌های واحد قابل تنظیم مجدد است که تصاویر آینه‌ای یکدیگر هستند. این آینه‌سازی که «کایرالیته» نامیده می‌شود، امکان رفتارهای پیچیده را فراهم می‌کند.
توئو ژائو، محقق پسادکتری در آزمایشگاه پائولینو، گفت که این متابات می‌تواند در پاسخ به یک فشار ساده، پیچ و تاب‌های بزرگی - پیچاندن، انقباض و کوچک شدن - ایجاد کند.
محققان می‌گویند: این کار، مسیری جدید و هیجان‌انگیز را در طراحی و کاربردهای اوریگامی باز می‌کند.
ژائو و هلن ویتاکر از دانشگاه MIT، گفتند: کار فعلی با کنترل مونتاژ و حالت کایرال ماژول‌ها، به متامواد مکانیکی بسیار متنوعی دست یافته است. تطبیق‌پذیری و عملکرد بالقوه متامواد اوریگامی مدولار و کایرال واقعاً چشمگیر است.
کاربردهای امیدوارکننده در زمینه‌های مختلف
دیوید بیگونی، استاد مکانیک جامدات و سازه در دانشگاه ترنتو در ایتالیا، این کار را پیشگامانه خواند و گفت که نتایج این تحقیق می‌تواند تغییر الگو را در زمینه‌های مختلف از جمله رباتیک نرم، مهندسی هوافضا، جذب انرژی و تنظیم خودکار دما ایجاد کند.
توئو ژائو، نویسنده مقاله، با بررسی کاربردهای رباتیک این فناوری، از یک دستگاه لیتوگرافی لیزری در موسسه مواد پرینستون برای ساخت نمونه اولیه متاباتی با ارتفاع ۱۰۰ میکرون (کمی ضخیم‌تر از موی انسان) استفاده کرد. محققان گفتند که ربات‌های مشابه می‌توانند روزی داروها را به قسمت‌های خاصی از بدن برسانند یا به جراحان در ترمیم استخوان‌ها یا بافت‌های آسیب‌دیده کمک کنند.
محققان همچنین از این متاماده برای ساخت یک تنظیم‌کننده دما استفاده کردند که با تغییر بین یک سطح سیاه جاذب نور و یک سطح بازتابنده کار می‌کند. در یک آزمایش، محققان متاماده را در معرض نور شدید خورشید قرار دادند و توانستند دمای سطح را از ۲۷ درجه سانتی‌گراد (۸۰ درجه فارنهایت) تا ۷۰ درجه سانتی‌گراد (۱۵۸ درجه فارنهایت) و دوباره برعکس تنظیم کنند.
یکی دیگر از کاربردهای احتمالی آن در کاربردهای آنتن‌ها، لنزها و دستگاه‌هایی است که با طول موج‌های نور سروکار دارند.
الگوی کرسلینگ و کنترل مغناطیسی
هندسه کلید این ماده جدید است. محققان لوله‌های پلاستیکی با پایه‌های نگهدارنده ساختند که به گونه‌ای چیده شده‌اند که لوله‌ها هنگام فشرده شدن پیچ می‌خورند و هنگام پیچ خوردن فشرده می‌شوند. در اوریگامی، به این لوله‌ها، «الگوهای کرسلینگ» گفته می‌شود. محققان بلوک‌های سازنده طرح خود را با اتصال دو لوله کرسلینگ با تصویر آینه‌ای در پایه برای ایجاد یک استوانه بلند ایجاد کردند. در نتیجه، یک انتهای استوانه هنگام پیچاندن در یک جهت و انتهای دیگر هنگام پیچاندن در جهت مخالف تا می‌شود.
این الگوی ساده از لوله‌های تکرارشونده، حرکت مستقل هر بخش از لوله را با استفاده از میدان‌های مغناطیسی مهندسی‌شده دقیق امکان‌پذیر می‌کند. میدان مغناطیسی باعث می‌شود لوله‌های کرسلینگ پیچ بخورند، فرو بریزند یا باز شوند و رفتارهای پیچیده‌ای ایجاد کنند.
پائولینو گفت که یکی از پیامدهای کایرالیتی - بخش‌های تصویر آینه‌ای - این است که این ماده می‌تواند از قوانین معمول کنش‌ها و واکنش‌ها در اشیاء فیزیکی سرپیچی کند.
پائولینو افزود: معمولاً اگر یک تیر لاستیکی را در جهت عقربه‌های ساعت و سپس خلاف جهت عقربه‌های ساعت بچرخانم، به نقطه شروع خود بازمی‌گردد. این گروه یک متابوت ساده ایجاد کردند که هنگام پیچاندن در جهت عقربه‌های ساعت فرو می‌ریزد، سپس هنگام پیچاندن در جهت عقربه‌های ساعت دوباره باز می‌شود - یک رفتار طبیعی. با این حال، اگر در ترتیب معکوس - خلاف جهت عقربه‌های ساعت و سپس در جهت عقربه‌های ساعت - پیچانده شود، همان دستگاه فرو می‌پاشد، سپس بیشتر فرو می‌پاشد.
پائولینو گفت که این رفتار نامتقارن، پدیده‌ای به نام «هیسترزیس» را شبیه‌سازی می‌کند، که در آن پاسخ یک سیستم به یک محرک به تاریخچه تغییرات درون سیستم بستگی دارد. چنین سیستم‌هایی که در مهندسی، فیزیک و اقتصاد یافت می‌شوند، مدل‌سازی ریاضی آنها دشوار است.
هیسترزیس پدیده‌ای است که وابستگی حالت فعلی یک سیستم به حالت‌های قبلی (مسیر تغییرات) آن را نمایش می‌دهد. بر اساس مفهوم این پدیده، رابطه میان علت و معلول نه تنها به بزرگی علت، بلکه به راستای تغییرات آن نیز وابسته است. این پدیده کاربردهای زیادی در حوزه‌های مختلفی نظیر فیزیک، شیمی، مهندسی، زیست‌شناسی و اقتصاد دارد.
برای آشنایی با مفهموم هیسترزیس، یک آهنربا را در نظر بگیرید. با توجه به تغییرات قبلی میدان مغناطیسی، این آهنربا می‌تواند در یک میدان مشخص بیش از یک گشتاور مغناطیسی داشته باشد.
پائولینو معتقد است که این متاماده راهی برای شبیه‌سازی مستقیم این سیستم‌ها ارائه می‌دهد.
یک کاربرد دورتر برای این ماده جدید، طراحی ساختارهای فیزیکی است که عملکرد دروازه‌های منطقی ساخته شده با ترانزیستورها در یک کامپیوتر را تقلید می‌کنند.
پائولینو گفت: این امر به ما یک روش فیزیکی برای شبیه‌سازی رفتارهای پیچیده، مانند حالت‌های غیرجابه‌جایی، می‌دهد.
دانشمندان پرینستون یک متاماده مغناطیسی و تغییر شکل دهنده، بخشی ربات، بخشی اوریگامی، ایجاد کرده‌اند که می‌تواند زمینه‌ها را از رباتیک تا پزشکی متحول کند
انتهای پیام/
نظر شما