I ricercatori del Center for Bits and Atoms del MIT hanno creato minuscoli blocchi che esibiscono una varietà di proprietà meccaniche uniche, come la capacità di produrre un movimento di torsione quando viene schiacciato. Queste subunità potrebbero essere potenzialmente assemblate da minuscoli robot in una varietà quasi illimitata di oggetti con funzionalità integrate, compresi i veicoli, grandi parti industriali, o robot specializzati che possono essere ripetutamente riassemblati in forme diverse.

I ricercatori hanno creato quattro diversi tipi di queste subunità, chiamati voxel (una variazione 3-D sui pixel di un'immagine 2-D). Ogni tipo di voxel presenta proprietà speciali che non si trovano nei tipici materiali naturali, e in combinazione possono essere utilizzati per realizzare dispositivi che rispondono agli stimoli ambientali in modi prevedibili. Gli esempi potrebbero includere ali di aeroplani o pale di turbine che rispondono ai cambiamenti della pressione dell'aria o della velocità del vento modificando la loro forma complessiva.

Le scoperte, che dettagliano la creazione di una famiglia di discreti "metamateriali meccanici, " sono descritti in un articolo pubblicato oggi sulla rivista Progressi scientifici , scritto dal recente dottorando del MIT Benjamin Jenett Ph.D. '20, Professor Neil Gershenfeld, e altri quattro.

I metamateriali prendono il loro nome perché le loro proprietà su larga scala sono diverse dalle proprietà a microlivello dei loro materiali componenti. Sono usati nell'elettromagnetismo e come materiali "architettati", che sono progettati a livello della loro microstruttura. "Ma non è stato fatto molto per creare proprietà meccaniche macroscopiche come metamateriale, " dice Gershenfeld.

Con questo approccio, gli ingegneri dovrebbero essere in grado di costruire strutture che incorporano un'ampia gamma di proprietà dei materiali e produrle tutte utilizzando gli stessi processi di produzione e assemblaggio condivisi, dice Gershenfeld.

I voxel sono assemblati da pezzi di telaio piatto di polimeri stampati a iniezione, poi combinati in forme tridimensionali che possono essere unite in strutture funzionali più grandi. Sono per lo più spazi aperti e quindi forniscono una struttura estremamente leggera ma rigida una volta assemblati. Oltre all'unità rigida di base, che fornisce una combinazione eccezionale di forza e leggerezza, ci sono altre tre varianti di questi voxel, ciascuno con una diversa proprietà insolita.

I voxel "auxetici" hanno una strana proprietà in cui un cubo del materiale, quando compresso, invece di sporgere ai lati in realtà si gonfia verso l'interno. Questa è la prima dimostrazione di un tale materiale prodotto con metodi di produzione convenzionali ed economici.

Ci sono anche voxel "conformi", con un coefficiente di Poisson nullo, che è in qualche modo simile alla proprietà auxetica, ma in questo caso, quando il materiale è compresso, i lati non cambiano affatto forma. Pochi materiali conosciuti esibiscono questa proprietà, che ora può essere prodotto attraverso questo nuovo approccio.

Finalmente, I voxel "chirali" rispondono alla compressione assiale o all'allungamento con un movimento di torsione. Ancora, questa è una proprietà non comune; la ricerca che ha prodotto uno di questi materiali attraverso complesse tecniche di fabbricazione è stata salutata l'anno scorso come una scoperta significativa. Questo lavoro rende questa proprietà facilmente accessibile a scale macroscopiche.

"Ogni tipo di proprietà materiale che mostriamo è stato precedentemente il suo campo, " Gershenfeld dice. "La gente scriverebbe documenti solo su quella proprietà. Questa è la prima cosa che li mostra tutti in un unico sistema".

Per dimostrare il potenziale del mondo reale di oggetti di grandi dimensioni costruiti in modo simile a LEGO da questi voxel prodotti in serie, Il gruppo, lavorando in collaborazione con gli ingegneri di Toyota, ha prodotto un'auto da corsa super-chilometraggio funzionale, che hanno dimostrato nelle strade durante una conferenza internazionale di robotica all'inizio di quest'anno.

Sono stati in grado di assemblare il peso leggero, struttura ad alte prestazioni in appena un mese, Jenet dice, mentre la costruzione di una struttura comparabile utilizzando metodi di costruzione convenzionali in fibra di vetro aveva richiesto in precedenza un anno.

Durante la manifestazione, le strade erano scivolose per la pioggia, e l'auto da corsa finì per schiantarsi contro una barriera. Con sorpresa di tutti i soggetti coinvolti, la struttura interna a traliccio dell'auto si è deformata e poi è rimbalzata indietro, assorbendo l'urto con pochi danni. Un'auto costruita in modo convenzionale, Jenet dice, probabilmente sarebbe stato gravemente ammaccato se fosse stato fatto di metallo, o frantumato se era composto.

L'auto ha fornito una vivida dimostrazione del fatto che queste minuscole parti possono effettivamente essere utilizzate per realizzare dispositivi funzionali a misura d'uomo. E, Gershenfeld sottolinea, nella struttura dell'auto, "queste non sono parti collegate a qualcos'altro. L'intera cosa è fatta di nient'altro che queste parti, " ad eccezione dei motori e dell'alimentazione.

Poiché i voxel sono uniformi per dimensioni e composizione, possono essere combinati in qualsiasi modo necessario per fornire diverse funzioni per il dispositivo risultante. "Possiamo abbracciare una vasta gamma di proprietà dei materiali che prima d'ora erano considerate molto specializzate, " Gershenfeld dice. "Il punto è che non devi scegliere una proprietà. Tu puoi fare, Per esempio, robot che si piegano in una direzione e sono rigidi in un'altra direzione e si muovono solo in determinati modi. E così, il grande cambiamento rispetto al nostro lavoro precedente è questa capacità di abbracciare più proprietà meccaniche dei materiali, che prima d'ora sono stati considerati isolatamente."

Jenet, che ha svolto gran parte di questo lavoro come base per la sua tesi di dottorato, dice "queste parti sono a basso costo, facilmente prodotto, e molto veloce da montare, e ottieni questa gamma di proprietà in un unico sistema. Sono tutti compatibili tra loro, quindi ci sono tutti questi diversi tipi di proprietà esotiche, ma giocano tutti bene tra loro nello stesso scalabile, sistema economico".

"Pensa a tutte le parti rigide e mobili di automobili, robot, barche e aerei, " Gershenfeld dice. "E possiamo coprire tutto questo con questo unico sistema".

Un fattore chiave è che una struttura composta da un tipo di questi voxel si comporterà esattamente allo stesso modo della subunità stessa, dice Jenet. "Siamo stati in grado di dimostrare che i giunti scompaiono effettivamente quando si assemblano le parti insieme. Si comporta come un continuum, materiale monolitico".

Considerando che la ricerca sulla robotica tende a essere divisa tra robot hard e soft, "questo non è molto né l'uno né l'altro, "Gershenfeld dice, a causa del suo potenziale per combinare e abbinare queste proprietà all'interno di un singolo dispositivo.

One of the possible early application of this technology, Jenett says, could be for building the blades of wind turbines. As these structures become ever larger, transporting the blades to their operating site becomes a serious logistical issue, whereas if they are assembled from thousands of tiny subunits, that job can be done at the site, eliminating the transportation issue. Allo stesso modo, the disposal of used turbine blades is already becoming a serious problem because of their large size and lack of recyclability. But blades made up of tiny voxels could be disassembled on site, and the voxels then reused to make something else.

And in addition, the blades themselves could be more efficient, because they could have a mix of mechanical properties designed into the structure that would allow them to respond dynamically, passively, to changes in wind strength, lui dice.

Globale, Jenett says, "Now we have this low-cost, scalable system, so we can design whatever we want to. We can do quadrupeds, we can do swimming robots, we can do flying robots. That flexibility is one of the key benefits of the system."