Ученые Гарварда разработали «умную» жидкость.

Ученые разработали метажидкость с программируемой реакцией.

Ученые из Джона А. Гарвардская школа инженерных и прикладных наук Полсона (SEAS) разработала программируемую метафлюидную жидкость с настраиваемой эластичностью, оптическими свойствами, вязкостью и даже способностью переходить между ньютоновскими и неньютоновскими жидкостями.

В первой в своем роде метафлуоресцентной жидкости используется суспензия крошечных резиновых шариков размером от 50 до 500 микрон, которые изгибаются под давлением, радикально меняя свойства жидкости. Metafluidic можно использовать во всем: от гидравлических приводов до программируемых роботов, от умных амортизаторов, которые могут рассеивать энергию в зависимости от силы удара, до оптических устройств, которые могут меняться от прозрачного до непрозрачного.

Исследование опубликовано в природа.

«Мы только прикасаемся к тому, что возможно с этим новым классом жидкостей», — сказал Адель Джалули, научный сотрудник в области материаловедения и машиностроения в SEAS и первый автор статьи. «С помощью этой единой платформы вы можете делать много разных вещей в самых разных областях».

Метажидкости против твердых тел

Метаматериалы – инженерные материалы, свойства которых определяются их структурой, а не составом – уже много лет широко используются в различных приложениях. Но большинство материалов — например, новаторские металлические минералы в лаборатории Федерико Капассо и Роберта Л. Уоллес, старший научный сотрудник в области электротехники в Школе прикладных наук Фентона Хейса, — это твердые тела.

Регулируемая оптика с логотипом Гарвардского университета, расположенным под метафлуоресцентной жидкостью. Фото: SEAS Гарвардского университета.

«В отличие от твердого метаматериалы«Метафорические жидкости обладают уникальной способностью течь и адаптироваться к форме своего контейнера», — сказала Катя Бертольди, профессор прикладной механики Уильяма и Эми Коуэн Данофф в Колледже прикладных наук и старший автор статьи. «Наша цель состояла в том, чтобы создать метажидкость, которая не только обладала бы этими замечательными свойствами, но также обеспечивала бы платформу для программируемой вязкости, сжимаемости и оптических свойств».

Используя высокомасштабируемую технологию производства, разработанную в лаборатории Дэвида А. Вайца, профессора физики и прикладной физики Маллинкродта в SEAS, исследовательская группа изготовила сотни тысяч этих сильно деформируемых сферических капсул, наполненных воздухом, и подвесила их в силиконовом масле. . Когда давление внутри жидкости увеличивается, капсулы сжимаются, образуя полусферу, похожую на линзу. Когда это давление снимается, капсулы возвращаются к своей сферической форме.

Свойства и применение метажидкости

Это преобразование меняет некоторые свойства жидкости, включая вязкость и непрозрачность. Эти свойства можно регулировать, изменяя количество, толщину и объем капсул в жидкости.

Исследователи продемонстрировали программируемость жидкости, загрузив метафизическую жидкость в гидравлический роботизированный захват и заставив захват поднять бутылку, яйцо и ягоду. В простой традиционной гидравлической системе с воздушным или водяным приводом роботу потребуется какой-то внешний датчик или элемент управления, чтобы иметь возможность регулировать захват и поднимать три объекта, не раздавливая их.

Но с метажидкостью нет необходимости в зондировании. Сама жидкость реагирует на различное давление, изменяя свое соответствие, чтобы отрегулировать усилие ручки, чтобы она могла поднять тяжелую бутылку, нежное яйцо и небольшую ягоду без дополнительного программирования.

«Мы показали, что можем использовать эту жидкость для придания интеллекта простому роботу», — сказал Джалули.

Команда также продемонстрировала жидкостно-логический вентиль, который можно перепрограммировать, изменив метафлюидику.

Оптические свойства и состояния жидкостей

Metafluid также меняет свои оптические свойства под воздействием изменения давления.

Когда капсулы круглые, они рассеивают свет, делая жидкость непрозрачной, точно так же, как пузырьки воздуха делают газированную воду белой. Но когда прикладывается давление и капсулы разрушаются, они действуют как крошечные линзы, фокусируя свет и делая жидкость прозрачной. Эти оптические свойства можно использовать в ряде приложений, например, в электронных чернилах, которые меняют цвет в зависимости от давления.

Исследователи также показали, что когда капсулы имеют сферическую форму, метажидкость ведет себя как ньютоновская жидкость, то есть ее вязкость меняется только в зависимости от температуры. Однако когда капсулы разрушаются, суспензия превращается в неньютоновскую жидкость, а это означает, что ее вязкость будет меняться в ответ на силу сдвига — чем больше сила сдвига, тем более жидкой она становится. Это первая метажидкость, которая, как было показано, осуществляет переход между ньютоновским и неньютоновским состояниями.

Далее исследователи стремятся изучить акустические и термодинамические свойства сверхтекучих жидкостей.

«Пространство применения этих масштабируемых и простых в производстве метажидкостей огромно», — сказал Бертольди.

Ссылка: «Индентирование оболочки для программируемых метажидкостей», авторы Адель Джалули, Берт ван Рэмдонк, Ян Ван, Йи Ян, Энтони Кайо, Дэвид Вайц, Шмуэль Рубинштейн, Бенджамин Герсен и Катя Бертольди, 3 апреля 2024 г., природа.
doi: 10.1038/s41586-024-07163-z

Управление технологического развития Гарвардского университета защитило интеллектуальную собственность, связанную с этим исследованием, и изучает возможности коммерциализации.

Это исследование было частично поддержано NSF через грант Центра материаловедения и инженерии Гарвардского университета № DMR-2011754.