ابتكر علماء جامعة هارفارد سائلاً “ذكياً”.

لقد طور العلماء سائلًا ميتا يتمتع باستجابة قابلة للبرمجة.

قام العلماء في كلية جون أ. بولسون للهندسة والعلوم التطبيقية بجامعة هارفارد (SEAS) بتطوير سائل ميتافلويد قابل للبرمجة مع مرونة قابلة للضبط، وخصائص بصرية، ولزوجة، والقدرة على التبديل بين السوائل النيوتونية وغير النيوتونية.

يستخدم السائل الميتافلوري الأول من نوعه معلقًا من كرات مطاطية صغيرة – يتراوح حجمها بين 50 و500 ميكرون – تنثني تحت الضغط، مما يؤدي إلى تغيير خصائص السائل بشكل جذري. يمكن استخدام Metafluid في كل شيء بدءًا من المحركات الهيدروليكية إلى الروبوتات المبرمجة، إلى ممتصات الصدمات الذكية التي يمكنها تبديد الطاقة اعتمادًا على شدة التأثير، إلى الأجهزة البصرية التي يمكنها التحول من الوضوح إلى المعتم.

نشرت في البحوث طبيعة.

وقال عادل جلولي، الباحث المشارك في علوم المواد والهندسة الميكانيكية في SEAS والمؤلف الأول لهذه الورقة: “نحن فقط نخدش سطح ما هو ممكن مع هذا النوع الجديد من السوائل”. “باستخدام هذه المنصة الواحدة، يمكنك القيام بأشياء كثيرة في العديد من المجالات المختلفة.”

Metafluids مقابل المواد الصلبة

المواد الخارقة – وهي مواد مصممة بشكل اصطناعي يتم تحديد خصائصها من خلال بنيتها وليس تركيبها – تم استخدامها على نطاق واسع لسنوات عديدة. لكن معظم المواد -المعادن الرائدة في مختبر فيديريكو كاباسو، وأستاذ روبرت إل. والاس للفيزياء التطبيقية، وزميل أبحاث كبير في الهندسة الكهربائية في كلية العلوم التطبيقية فينتون هايز- هي مواد صلبة.

بصريات قابلة للضبط مع شعار جامعة هارفارد معروضة أسفل Metafluid. ائتمان: جبنة هارفارد

“على عكس الصلبة المواد الفوقيةقال ويليام وإيمي كوان تانوف، أستاذ الميكانيكا التطبيقية في كلية العلوم التطبيقية والمؤلف الرئيسي للورقة البحثية: “تتمتع السوائل الميتافيزيقية بقدرة فريدة على التدفق والتوافق مع شكل الحاوية الخاصة بها”. “كان هدفنا هو إنشاء سائل ميتا لا يمتلك فقط هذه الخصائص الرائعة، ولكنها توفر أيضًا منصة للزوجة القابلة للبرمجة، والانضغاط، والخصائص البصرية.

ديفيد أ.، أستاذ الفيزياء والفيزياء التطبيقية في SEAS. باستخدام تقنية تصنيع قابلة للتطوير بدرجة كبيرة تم تطويرها في مختبر ويتز، صنع فريق البحث مئات الآلاف من هذه الكبسولات الكروية شديدة التشوه المملوءة بالهواء والمعلقة في زيت السيليكون. . ومع زيادة الضغط داخل السائل، تنهار الكبسولات لتشكل نصف الكرة الشبيه بالعدسة. وعندما يتم إزالة هذا الضغط، تعود الكبسولات إلى شكلها الكروي.

خصائص وتطبيقات Metafluid

يغير هذا التغيير العديد من خصائص السائل، بما في ذلك اللزوجة والعتامة. يمكن تعديل هذه الخصائص عن طريق تغيير عدد وسمك وحجم الكبسولات الموجودة في السائل.

أظهر الباحثون قابلية برمجة السائل عن طريق تحميل Metafluid في قابض آلي هيدروليكي وجعل القابض يلتقط زجاجة وبيضة وتوت. في النظام الهيدروليكي التقليدي الذي يعمل بالهواء أو الماء البسيط، سيحتاج الروبوت إلى نوع من الاستشعار أو التحكم الخارجي.

ولكن مع Metafluid، ليس من الضروري الإدراك. يستجيب السائل لضغوط مختلفة، ويغير شكله لضبط قوة المقبض لالتقاط زجاجة ثقيلة، وبيضة طرية، وتوت صغير دون برمجة إضافية.

وقال جيلولي: “لقد أظهرنا أنه يمكننا استخدام هذا السائل لنقل الذكاء إلى روبوت بسيط”.

كما أظهر الفريق أيضًا بوابة منطقية سائلة يمكن إعادة برمجتها عن طريق تغيير السائل metafluid.

الخصائص البصرية والمراحل السائلة

يغير الميتافلويد أيضًا خصائصه البصرية عند تعرضه للضغوط الديناميكية.

في حين أن الكبسولات مستديرة، فإنها تشتت الضوء وتجعل السائل معتمًا، مع فقاعات الهواء التي تجعل الماء الغازي يبدو أبيضًا. ولكن عندما يتم الضغط وتنهار الكبسولات، فإنها تعمل مثل العدسات الدقيقة، حيث تركز الضوء وتجعل السائل شفافًا. يمكن استخدام هذه الخصائص البصرية في تطبيقات مختلفة مثل الأحبار الإلكترونية التي تغير لونها بناءً على الضغط.

وأظهر الباحثون أيضًا أنه عندما تكون الكبسولات كروية، فإن السائل الميتافي يتصرف مثل السائل النيوتوني، مما يعني أن لزوجته تتغير استجابة لدرجة الحرارة. ومع ذلك، عندما تنهار الكبسولات، يصبح المعلق سائلًا غير نيوتوني، مما يعني أن لزوجته تتغير استجابة لقوة القص – كلما زادت قوة القص، أصبح أكثر سيولة. إنه أول سائل ميتا يظهر أنه ينتقل بين الحالات النيوتونية وغير النيوتونية.

بعد ذلك، يهدف الباحثون إلى دراسة الخصائص الصوتية والديناميكية الحرارية للسوائل الخارقة.

وقال بيرتولدي: “إن مساحة تطبيق هذه السوائل الميتافورية القابلة للتطوير وسهلة الإنتاج هائلة”.

المرجع: أديل جيلولي، بيرت فان رامدونك، يانغ وانغ، يي يانغ، أنتوني كيلات، ديفيد ويتز، شموئيل روبنشتاين، بنيامين كوريسن، وكاتيا بيرتولدي، 3 أبريل 2024، “Shell Buckling for Metafluids القابلة للبرمجة” طبيعة.
دوى: 10.1038/s41586-024-07163-z

يقوم مكتب تطوير التكنولوجيا بجامعة هارفارد بحماية الملكية الفكرية المرتبطة بهذا البحث واستكشاف فرص التسويق.

تم دعم هذا البحث جزئيًا من قبل NSF من خلال رقم المنحة لمركز علوم وهندسة أبحاث المواد بجامعة هارفارد DMR-2011754.