Malzemenin kilidini açma büyüsü: daha akıllı bir gelecek için programlanabilir mekanik metamalzemeler

Sıradan Ötesinde: Metamalzemeler nelerdir?

“Metamalzeme” kelimesi kelimenin tam anlamıyla “malzemenin ötesinde” anlamına gelir. Bunlar, doğada bulunmayan benzersiz özelliklere sahip tasarlanmış malzemelerdir. İnanılmaz derecede hafif olmak veya egzotik mekanik tepkilere sahip olmak gibi olağandışı özelliklerini karmaşık iç yapılarından alırlar. Bilim adamları onlarca yıldır karmaşık iç geometrilerle bu “kafes metamalzemeleri” tasarlamada muazzam ilerleme kaydettiler.

Bununla birlikte, büyük bir zorluk kaldı: bu malzemeler yapıldıktan sonra özellikleri sabitlendi. Bu yeni makaledeki heyecan verici sıçrama, bu özellikleri gerçek zamanlı olarak aktif ve isteğe bağlı olarak modüle etme yeteneğidir. Geçenlerde yayınlanan makalemiz, zamansal, isteğe bağlı ve ayarlanabilir programlama için iki seviyeli çoklu fiziksel olarak arşivlenmiş metamateryallerde aktif heterojen mod bağlantısı '' aktif kafes tasarımı ”önermektedir. Bu aktif mimari için ilk fikir, iki yıl önce geleneksel altıgen kafesler ve piezoelektrik yamalar denemekten tesadüfen geldi.

Gizli Sos: Elektro-Aktif Elemanlar ve Programlanabilir Bağlantı

Araştırmamız ulaşmaya odaklanıyor:Heterojen mod bağlantı”Geleneksel simetrik kafes geometrilerde, elektro-aktif elemanları sezgisel olarak ekleyerek ilk etapta. Basitçe söylemek gerekirse, geleneksel malzemeler genellikle farklı kuvvetlere ayrı mekanik tepkiler gösterir, çektiğinizde çektiğinizde gerilme ve bükme gibi. Ama çekme de kontrollü bir bükülmeye neden olursanız ve bu, bu aktif heterojen modu birleşimi“ aktif heterojen modu ”içinde yer alır.

Bu “malzeme sihri” nin anahtarı, “elektro-aktif elemanlar”, özellikle piezoelektrik yamaların metamalzamanın yapısına gömülmesinde yatmaktadır. Piezoelektrik malzemeler büyüleyici bir özelliğe sahiptir: onlara bir elektrik voltajı uygulandığında deforme olurlar. Bu elemanları altıgen bir kafes içine stratejik olarak yerleştirerek, “hibrit alternatif üç katlı piezo-metalik şerit mimarimiz” makro ölçekli elastik özelliklerin harici elektrik voltajlarına bağlı olmasını sağlar.

Bu, “programlanabilir voltaja bağlı normal-kesme konstitutive modu bağlantısı” ve aynı zamanda aktif çok modlu sertlik modülasyonu elde ettiğimiz anlamına gelir. Daha basit terimlerle, sadece voltajı değiştirerek, bir malzemenin ne kadar gerildiğini veya sıkıştırıldığını ve aynı anda ne kadar büküldüğünü veya makasladığını kontrol edebilirsiniz. Örneğin, bu metamalzemeden yapılmış bir “akıllı blok” hayal edin. Üzerinde durursanız, aşağı doğru bir sıçrama (normal deformasyon), aynı zamanda eşzamanlı bir yatay çeviri (kesme modu) hissedeceksiniz. Şaşırtıcı kısım, bu yatay çeviri veya dikey atlama miktarının harici voltajların ayarlanmasıyla kontrol edilebilmesidir! İlginç bir şekilde, sıfır voltajla, yüzeyler arasında kayma yoktur. Bu aktif bağlantı fenomeni, özellikle düzenli simetrik 2D geometrilerde değil, mekanik metamalzemelerde nadiren araştırılır.

Olası sömürülere göz atın: Geleceğimizi şekillendirmek için gerçek dünyadaki alaka düzeyi

Bu atılımın sonuçları geniş ve heyecan vericidir, gelecekteki araştırmacılar tarafından araştırılacak gelişmiş mekanik uygulamaların çeşitli yönlerine dokunmaktadır.
Performansı optimize etmek için operasyon sırasında şekillerini dinamik olarak değiştirebilen uçak kanatları veya rüzgar türbini bıçakları gibi. Bu teknoloji, isteğe bağlı açıklık, akor, kamber ve aerofillerde süpürme yapmasına izin veren gerçekten uyarlanabilir yapılar sağlayabilir.

Yumuşak robotlar esnektir ve şekillerini değiştirerek karmaşık ortamlarda gezinebilir. Önerilen piezo gömülü altıgen metamalzemiz, harici voltajları kullanarak gerçek zamanlı olarak bu tür “deformasyon tabanlı hareket” i elde edebilir ve kontrol edebilir (bkz. Video 1). Voltaj sıfırsa, hareket yok!

“Bu çalışmada sunulan bu gelişme, sert ve esnek özellikler arasında aktif ve isteğe bağlı sorunsuz geçişe izin verir. Yüksek sertliğin genellikle yüksek yoğunluk ve ağırlık anlamına geldiği geleneksel malzemelerin aksine, yeni metamalzemiz, talep üzerine uygulamalı voltaj yoluyla talep üzerine, çok fazla ağırlık eklemeden daha yüksek sertlik (hem normal hem de kesme modlarında), aktif olarak artış olabileceği anlamına gelir. ve Rezonansı önler, ”diye açıklıyor Communications Engineering'de yayınlanan araştırma makalesinin yazarları [1].

Bu nedenle, belirli bir nokta üzerinde çalışan yük taşıyan bir sabit metamalzamanın olması ve daha sonra yeni konumda daha fazla yük taşıma işlemleri gerçekleştirmek için farklı bir noktaya taşımak için hareketliliğe sahip olmak mümkündür. Bu tür aynı anda isteğe bağlı robotik hareket ve yük taşıma performansı bu çalışmada ilk kez önerilmektedir.

Bununla birlikte, açılacak daha çok şey var. Harry Potter'daki gibi “görünmezlik şapkaları” veya “görünmezlik pelerinler”, JK Rowling'in romanlarındaki bir karakter, nesneleri insan gözüne görünmez hale getirmenin sürtünmeli bir örneğini gösteriyor. Bu tür “optik görünmezlik” kavramı daha sonra çeşitli elektromanyetik metamalzemelerin ortaya çıkmasıyla gerçekleşir. Ya optik yanılsama yerine, mekanik metamalzemeler kullanarak aynı kavramı (“mekanik görünmezlik”) genişletirsek? Önce burada mekanik mod gizlenmesini tanımlayalım. Bu mod gizleme, belirli bir yönde suş veya deformasyon gibi belirli mekanik deformasyon modlarının (veya yanıtların) stres uygulandığında bile bastırıldığı veya “görünmez” hale getirildiği bir fenomene atıfta bulunabilir. Malzemenin mekanik tepkilerini belirli bir modda veya yönde “saklamak” gibidir. Çalışmamız, örneğin, normal streslerle bile sadece kesme suşu var olan “kısmi mod gizleme” olasılığını kanıtlamaktadır. Bu, akıllı mekanik, havacılık ve biyomedikal yapılarda istenmeyen streslerin gerçek zamanlı olarak tanımlanmasını ve baskılanmasını sağlar. Bu, programlanmış voltajlar yoluyla istenmeyen stresleri aktif olarak iptal edebilen, kesintisiz mekanik performans ve başarısızlık koşullarını önleyebilen gelişmiş “dijital ikizlere” yol açabilir.

Referanslar (kontrol etmeyi unutmayın!):

1. Mondal, S., Mukhopadhyay, T. ve Naskar, S. (2025). Geçici, talep üzerine ve ayarlanabilir programlama için iki seviyeli çoklu fiziksel olarak arşivlenmiş metamalzemelerde aktif heterojen mod birleştirme. İletişim Mühendisliği, Doğa Yayını, 4 (1), 1-15.