Ani ciecz, ani gaz „Metapłyny” o programowalnych właściwościach
W układach pneumatycznych i hydraulicznych odpowiednio sprężone gazy i ciecze pośredniczą w wielu kluczowych procesach mechanicznych. Układy te mają określone wady i zalety: pneumatyczne ze względu na sprężystość są mniej podatne na uszkodzenia spowodowane wstrząsami; hydrauliczne zapewniają większą precyzję i moc, ponieważ ciecze, w przeciwieństwie do gazów, nie są ściśliwe. „W naturze brak substancji o pośrednich cechach, postanowiliśmy więc wypełnić tę lukę, wytwarzając metapłyn, którego ściśliwość można programować” – mówi Adel Djellouli, fizyk z Harvard University.
Na łamach „Nature” Djellouli i jego współpracownicy opisali testowanie nowego metapłynu, składającego się z zawieszonych w cieczy maleńkich, wypełnionych powietrzem kulek z gumy silikonowej. Ściśliwość, lepkość i przezroczystość tego płynu są programowalne. Może być stosowany w inteligentnych amortyzatorach, e-atramentach i programowalnych przegrodach dźwiękowych.
Mechanizm jest prosty: przy odpowiednim ciśnieniu kulki są spłaszczane i powodują większą kompresję płynu. Rozmiar, grubość, miękkość i liczbę kulek można zmieniać, regulując tym samym właściwości płynu poddawanego ciśnieniu. Wszechstronność płynu zademonstrowano, umieszczając go w hydraulicznym chwytaku robota, który ujmował przedmioty różnej wielkości i kruchości: szklaną butelkę, jajko i jagody. Przy tej samej ilości płynu w systemie każdy obiekt był chwytany z odpowiednią siłą, bez jego uszkodzenia.
„Dostosowywaliśmy sprężystość płynu tak, aby niezależnie od tego, czy przedmiot był duży i sztywny, czy mały i delikatny, był chwytany bezpiecznie” – wyjaśnia Djellouli. To mogłoby zapewnić konwencjonalnym robotom możliwości wcześniej ograniczone do specjalnych „miękkich” robotów.
Powietrze w kulkach rozprasza światło, sprawiając, że ciecz jest nieprzezroczysta jak spieniona woda, ale po ściśnięciu kulek rozpraszanie maleje i ciecz staje się przezierna. Łatwa zmiana tych stanów sprzyja projektowaniu szybko reagujących e-atramentów. Ściśnięcie kulek zwiększa też lepkość, bo nie mogą się już one swobodnie wokół siebie toczyć. „Ta właściwość może być przydatna w przestrajalnych systemach tłumienia drgań, bo z większą lepkością wiąże się łatwość rozpraszania energii” – mówi Robert Shepherd, konstruktor zaawansowanych robotów na Cornell University.
„W badaniu z 2022 roku stosowano podobny płyn z zapadającymi się kapsułkami w kształcie słomek, które były dość duże, co utrudniało przepływ przez małe otwory; kulki są lepszym pomysłem” – dodaje Shepherd.
Ich dodatkowe możliwości nie zostały jeszcze zbadane. Właściwości termodynamiczne mogą okazać się przydatne do magazynowania energii, a Djellouli obecnie bada właściwości akustyczne metapłynu. Jego zdaniem „można dostroić go tak, by blokował określone częstotliwości, na przykład mowę, a następnie przepuszczał je po naciśnięciu przełącznika” .