Le trappole di Venere lo fanno, le formiche dalla mascella trappola lo fanno, e ora gli scienziati dei materiali dell'Università del Massachusetts Amherst possono farlo, anche:hanno scoperto un modo per convertire in modo efficiente l'energia elastica in una molla in energia cinetica per un'elevata accelerazione, movimenti di velocità estrema come fa la natura.

Nella fisica dei sistemi artificiali e di molti sistemi naturali, convertire l'energia da una forma all'altra di solito significa perdere molta di quell'energia, dicono il primo autore Xudong Liang e il ricercatore senior Alfred Crosby. "C'è sempre un costo elevato, e la maggior parte dell'energia in una conversione viene persa, " dice Crosby. "Ma abbiamo scoperto almeno un meccanismo che aiuta in modo significativo." I dettagli sono in Lettere di revisione fisica.

Utilizzando immagini ad alta velocità, Liang e Crosby misurarono nei minimi dettagli il rinculo, o scatto, moto di elastici che possono raggiungere accelerazioni e velocità simili a molti dei sistemi biologici naturali che li hanno ispirati. Sperimentando diverse conformazioni di banda elastica, hanno scoperto un meccanismo per imitare il movimento veloce di formiche e acchiappamosche, eventi impulsivi ad alta potenza con minima perdita di energia.

Liang, che ora è alla facoltà della Binghamton University, e Crosby fanno parte di un gruppo che include robotisti e biologi guidati dall'ex esperta di UMass Amherst Sheila Patek, ora alla Duke University. Ha studiato per anni il movimento di schiocco dell'appendice raptoriale estremamente rapido del gambero di mantide. Il loro team multi-istituzionale è supportato da una sovvenzione MURI (U.S. Army Multidisciplinary University Research Initiative) finanziata dal Laboratorio di ricerca dell'esercito degli Stati Uniti e dal suo Ufficio di ricerca.

Nelle osservazioni e negli esperimenti di Liang, ha scoperto le condizioni sottostanti in cui l'energia è più conservata, oltre alla fisica fondamentale, e presenta ciò che Crosby chiama "alcune teorie ed equazioni davvero belle" per supportare le loro conclusioni. "La nostra ricerca rivela che le strutture geometriche interne all'interno di una molla svolgono un ruolo di fondamentale importanza nel migliorare il processo di conversione dell'energia per i movimenti ad alta potenza, "Note di Crosby.

Il segreto si è rivelato essere l'aggiunta di fori ellittici, non circolari, strategicamente posizionati all'elastico, dice Liang. "Mantenere l'efficienza non è intuitivo, è molto difficile indovinare come farlo prima di sperimentarlo. Ma puoi iniziare a formare una teoria una volta che vedi come va l'esperimento nel tempo. Puoi iniziare a pensare a come funziona."

Ha rallentato l'azione per osservare il movimento a scatto in un polimero sintetico che si comporta come un elastico.

Liang ha scoperto che il segreto strutturale sta nel progettare uno schema di fori. "Senza buchi tutto si estende, " fa notare. "Ma con i buchi, alcune aree del materiale gireranno e collasseranno." Quando le bande semplici sono tese e riavvolte, meno del 70% dell'energia immagazzinata viene sfruttata per movimenti ad alta potenza, il resto è perduto.

Al contrario, l'aggiunta di pori trasforma le bande in metamateriali meccanici che creano movimento attraverso la rotazione, Liang spiega. Lui e Crosby dimostrano che con i metamateriali, più del 90% dell'energia immagazzinata viene utilizzata per guidare il movimento. "In fisica, la flessione realizza lo stesso movimento con meno energia, quindi quando manipoli il modello dei pori puoi progettare la fascia in modo che si pieghi internamente; diventa ad alta efficienza, " aggiunge Crosby.

"Questo dimostra che possiamo usare la struttura per modificare le proprietà dei materiali. Altri sapevano che si trattava di un approccio interessante, ma l'abbiamo spostato in avanti, soprattutto per il movimento ad alta velocità e la conversione da energia elastica a energia cinetica, o movimento".

I due sperano che questo progresso possa aiutare i robotisti del loro team MURI e altri con un obiettivo prestazionale per aiutarli a progettare ad alta efficienza, sistemi robotici cinetici rapidi.

Liang dice, "Ora possiamo consegnare alcune di queste strutture e dire, "Ecco come progettare una molla per i tuoi robot." Pensiamo che la nuova teoria apra molte nuove idee e domande su come guardare la biologia, come sono strutturati i tessuti o i loro gusci sono configurati per consentire la rotazione che mostriamo è la chiave, " Aggiunge.