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力学超材料“体素”赛车问世!MIT联合丰田推出撞不坏的赛车,未来超大型结构件的全新方向?

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  近日,MIT 团队与丰田合作的超里程汽车,撞上障碍物几乎无损坏他们在今年的一次国际机器人会议进行了演示。

  

  研究人员表示,他们只用了一个月的时间就组装出了轻量化、高性能的结构,而之前用传统的玻璃纤维结构方法建造一个类似的结构需要一年的时间。

  

  在展示过程中,赛道因下雨而变得湿滑,赛车最终撞上了障碍物。出乎所有人意料的是,赛车网格状的内部结构发生了变形,然后反弹,吸收了冲击力,几乎没有损坏。研究人员说,如果是传统的采用金属材质的汽车,很可能会严重凹陷,如果是复合材料,则会被撞得粉碎。

  

  这辆汽车生动地展示了一个事实,即体素(voxels)确实可以用来制造可用的设备。而且这辆汽车除了电机和电源之外,其余零件都是由体素组成的。

  

  体素是一种超材料,就像更高阶版本的乐高一样,由注塑聚合物的平面框架件制成,然后制造成三维形状,可以组合成更大的结构。

  研究者基于有限集的模块化、和大批量零件离散装配,提出一个机械超材料的构造系统。

  

  当体素连接在一起时,提供了一个轻量、但刚性的框架。除了标准的刚性体素(灰色),提供特殊强度和重量组合,还有其他三种体素迭代版本。

  

  “顺应性”体素("compliant" voxels,紫色):泊松比(横向变形系数)为零,在压缩时不会出现侧面变形。以往的已知材料很少表现出这种特性。

  

  “拉胀性”体素("auxetic" voxels,橙色):立方体材料在被压缩时不是从两边凸出,而是向内凸起。这是首次展示通过传统和廉价的制造方法来生产这种材料。

  

  “手性”体素("chiral" voxels,蓝色):在受到轴向压缩或拉伸时会出现扭曲反应。这也是一种不同寻常的特性。去年,研究人员通过复杂的制造技术生产出一种类似材料。现在,通过这项研究,可以很容易地从宏观层面实现材料性能。

  因为这些体素的大小和组成都是统一的,所以可以用任何需要的方式进行组合,为最终的设备提供不同的功能。

  以上证明,量产体素可以类似乐高的方式构建出大型物体,该汽车由麻省理工学院(MIT)比特和原子研究中心的科学家与丰田公司的工程师合作。

  据悉,MIT 比特和原子研究中心的科学家们,提出了一个基于有限部分离散装配的机械超材料构造系统,通过一系列微型聚合物材料,这种类似“积木”的微型构建基块,表现出了一些非常独特的机械性能,比如在受到挤压时能够表现出扭转运动。

  这些材料可以通过机器人设备加工,组合各种具有综合功能的结构,比如汽车、大工业零件或可以反复组装成不同形态的专用机器人。这项研究有望彻底改变超轻、材料节约型结构的成本、可定制性和机能效率。

  

  这些子单元可以被机器人组装成大型复杂的物体,包括汽车、机器人或风力涡轮机叶片。

  2020 年 11 月 18 日发表在 Science 子刊 Science Advances 上的研究中,研究人员将这种新型材料称为 “力学超材料”(mechanical metamaterials),研究人员创造了四种不同类型的机械元材料子单元,被称为体素(Voxels,二维图像像素 Pixel 的三维化),并以它们在二维图像像素上的三维变化命名。同期该论文登上了 Science Advances 的封面。

  

  每一种体素模型都显示出传统天然材料中看不到的特性,结合使用,可以直接生产对环境刺激作出反应的设备。相关用途包括通过改变其整体形状而对气压变化或风速敏感的飞机机翼或涡轮叶片。

  超材料提供奇异特性

  材料是我们日常生活中的“常客”,如金属材料、陶瓷材料、高分子材料、木质材料、复合材料等。但如果说到超材料(metamaterials),恐怕大家会一头雾水吧?

  

  图 | 浙江大学研究团队的超材料的“隐身”装置的效果

  超材料是指具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料,比如隐身衣是近年来出镜率比较高的超材料应用,此外还有电磁超材料、左手材料、光子晶体和非正定介质等,听起来都非常“科幻”。

  他们还通过实验证明了每种零件类型所需的超材料特性,并结合数值模拟结果,展示出其他意想不到的有用特性。最终实现系统通过部件设计,来实现预期连续体属性,这样局部机制就能控制全局行为。

  此外,该团队还详细描述了设计方法、生产过程、数值模拟和超材料行为的实验表征。设计方法得益于增量装配,增量装配是一种可消除规模限制的、可靠的、低成本部件生产实践,它还能通过跨部件类型的一致装配过程来实现可互换性。

  

  图 | 离散力学超材料子系统的描述和表征

  论文合著者 Neil Gershenfeld 教授表示,他们所展示的每一种材料属性,以前都是在各自的领域,人们会只写那一种属性的论文。这是第一次在一个单一系统中显示所有这些属性的东西。我们可以跨越各种材料属性,而这些属性之前一直被认为是非常专用的。

  关键是,不必选择一种单一的属性。例如,可以制造出在一个方向上弯曲,在另一个方向上坚硬,并且只以某种方式移动的机器人。所以,最大的变化就是这种跨越多种机械材料属性的能力,在此之前,这些材料的属性都是被单独考虑的。比如汽车、机器人、船和飞机上所有的刚性部件和运动部件。而这次的研究成果让我们可以用这一个系统跨越所有材料属性。

  “我们可以跨越广泛的材料属性,而这些属性在之前一直被认为是非常专业的,” Gershenfeld 说。“关键是,你不必选择一种属性。例如,你可以制造出在一个方向上弯曲,在另一个方向上僵硬,并且只能以某些方式移动的机器人。因此,与我们之前的工作相比,最大的变化就是这种跨越多种机械材料属性的能力,而在此之前,这些属性都是被单独考虑的。”

  据主要研究合著者、MIT 博士毕业生 Benjamin Jenett 博士介绍,超材料系统的一个显著好处是,仅由一种类型的体素组成的复杂结构与单个子单元的作用完全相同。

  “这些部件成本低,易于生产,组装速度非常快,你可以在一个系统中获得各种材料特性。”他解释说。“它们都是相互兼容的,所以有所有这些不同类型的属性,都能在同一个可扩展的、廉价的系统中很好地相互发挥。我们能够证明,当你将这些部件组装在一起时,它表现为一个连续的、整体的材料。”

  这些可变的体素有一个特别理想的应用:为风力涡轮机制造叶片。这将消除巨型叶片被运到现场安装的运输问题。此外,由于叶片能够拆解成可回收到其他产品和部件的组件体,涡轮叶片处理的环境污染和浪费问题也可能得到解决。

  研究人员表示,有了这个低成本、可扩展的系统,所以我们可以设计任何想要的东西,比如四足动物机器人,游泳机器人,飞行机器人。这种灵活性是该系统的关键优势之一。

  美国军方参与研究,未来或应用于军事领域

  该研究团队包括 MIT 的 Filippos Tourlomousis、Alfonso Parra Rubio 和 Megan Ochalek,以及美国陆军研究实验室(U.S. Army Research Laboratory)的 Christopher Cameron。这项工作得到了美国宇航局 NASA、美国陆军研究实验室和 MIT 比特和原子研究中心的支持。

  这种独特机械性能的材料连接起来新方法,事实上也为未来的军事机器人提供了可能。例如,一群机器人可以形成一座桥,让部队过河。研究人员表示,这种能力将增强军事机动性和作战人员及装备的生存能力。

  该论文涉及模块化结构的设计,并介绍了一个系统,该系统将使陆军能够制造出各种具有独特性能的机器人,如冲击能量吸收。研究人员设计的材料展示了一系列令人惊讶和有用的特性,包括极端的刚度、韧性和位移与旋转之间的独特耦合。

  未来,这项研究将使软机器人、响应式航空和水动力结构以及用户定义的可编程材料等新兴领域成为可能,从而进一步融合未来工程系统的数字和物理方面。

  -End-

  https://scitechdaily.com/mechanical-metamaterials-versatile-building-blocks-make-structures-with-surprising-mechanical-properties/

  https://www.army.mil/article/240977

  https://news.mit.edu/2020/versatile-building-blocks-1118

  https://advances.sciencemag.org/content/advances/6/47/eabc9943.full.pdf

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