Mechaniczny metamateriał przenosi siłę w jednym kierunku
Pierwszy w historii mechaniczny metamateriał, który przenosi ruch w jednym kierunku, a blokuje w kierunku przeciwnym, jest dziełem naukowców i inżynierów z University of Texas oraz holenderskiego instytutu AMOLF. Materiał taki może być postrzegany jako mechaniczna tarcza, przepuszczająca energię tylko w jedną stronę, a blokująca ją w przeciwną.
Złamanie symetrii ruchu może pozwolić na lesze kontrolowanie systemów mechanicznych oraz zwiększenie ich efektywności. Przyda się w robotyce czy protetyce.
Przełomowy materiał narusza jedną z podstawowych zasad rządzących wieloma systemami fizycznymi, zasadę wzajemności. Opisuje ona, w jaki sposób poruszają się różnego rodzaju sygnały. Skoro na przykład, jesteśmy w stanie wysłać sygnał radiowy, jesteśmy też w stanie go odebrać. Jeśli do jakiegoś ciała przyłożymy po stronie A pewną siłę, która spowoduje przesunięcie strony B o określoną wartość, to spodziewamy się, że przyłożenie takiej samej siły po stronie B przesunie stronę A o identyczną wartość. Nowy materiał zaburza te zależności.
Stworzony przez nas mechanicznym metamateriał daje nowe możliwości projektantom struktur mechanicznych. Znajdzie on zastosowanie tam, gdzie użyteczne jest złamanie naturalnej symetrii ruchu molekuł w strukturze materiału - mówi profesor Andrea Alu.
Profesor Alu i jej koledzy dokonali już wielu ważnych odkryć na polu metamateriałów łamiących symetrię w systemach elektromagnetycznych i akustycznych. Po wizycie w instytucie AMOLF grupa pani Alu rozpoczęła współpracę z Corentinem Coulaisem, który od pewnego czasu interesuje się mechanicznymi metamateriałami. Współpraca ta doprowadziła do obecnego przełomu.
Naukowcy rozpoczęli pracę od stworzenia gumowego materiału o szkielecie o takiej konstrukcji, by spełniał on wstępne założenia mechanicznej asymetrii. Ta struktura stała się dla nas inspiracją. Postanowiliśmy stworzyć drugi metamateriał, który znacznie silniej będzie zaburzał symetrię. Zastąpiliśmy prostą strukturę przypominającą rybie ości bardziej skomplikowaną, złożoną z kształtów przypominających sześciany i diamenty. Okazało się, że bardzo mocno zaburza ona symetrię.
Nowa struktura jest homogeniczna na przestrzeni całego materiału, podobnie jak w zwykłym materiale. Jednak każdy element struktury jest w pewien ściśle określony sposób nieco obrócony względem innych i to tak subtelna różnica daje materiałowi tak niezwykłe właściwości. Po przyłożeniu siły z miękkiej strony sześciany i diamenty tworzące strukturę, bardzo łatwo ulegały rotacji. Efekt ten zachodził tylko w pobliżu miejsca przyłożenia siły, a jego skutek dla drugiej strony był minimalny. Gdy zaś przyłożyli taką samą siłę od strony sztywnej, struktura w pobliżu pozostała nieruchoma, jednak energia została przeniesiona i wywołała duże odkształcenia po stronie przeciwnej.
Komentarze (10)
Ergo Sum, 16 lutego 2017, 13:45
Ciekawe czy dało by się to wykorzystać dla kosmicznego ... młotka - tzn urządzeń, które muszą działać w warunkach mikrograwitacji.
Przemek Kobel, 16 lutego 2017, 15:34
Powiem tyle, że jeśli będą w stanie w sposób ciągły zaburzać symetrię pędu (między "popychającym" a "popychanym"), to za oknem zrobi się mniej więcej tak, jak w serialu Jetsonowie.
Eco_PL, 16 lutego 2017, 15:45
A gdyby tak zrobić cylinder z czymś z rodzaju tłoka poruszającego się w środku, który uderza raz w jeden koniec cylindra raz w drugi, jeden koniec z miękką stroną meta-materiału rozpraszającą siłę, drugi koniec siłę przekazujący, to w ten sposób uzyskalibyśmy napęd nie potrzebujący paliwa.
pogo, 16 lutego 2017, 15:53
To nie zaburza symetrii pędu, a jedynie symetrię przekazywania oddziaływań.
Żadnych tak cudownych rzeczy nie będzie.
Naciskając z jednej strony trafiasz na gąbkę, która zamiast przenieść pęd na drugi koniec bloczka przekazuje go do podłoża/mocowania.
Naciskając z drugiej trafiasz na coś twardego, co mimo, że samo się nie odkształca, to wysuwa z drugiej strony "bąbelek".
To trochę jak myśleć o zrobieniu napędu działającego w nieważkości po odkryciu kawałka zasady działania dźwigni. Widzisz, że jak naciśniesz z jednej strony to druga podnosi się mniej, a jak naciśniesz z drugiej to ta pierwsza podnosi się więcej.
thikim, 16 lutego 2017, 17:01
Spokojnie. To tylko ulepszona wersja kółka z zapadką
albo nawet zębatki z hamulcem. Aczkolwiek nie wykorzystamy tego raczej w rowerze 
haw, 17 lutego 2017, 04:29
brzmi jak pierwszy krok w kierunku skonstruowania demona maxwella
Przemek Kobel, 17 lutego 2017, 09:04
Tak jednoznaczny to bym nie był. Z tego co tu sugerują (trzeba sobie jeszcze przetłumaczyć "sześciany i diamenty" na widoczne na obrazku kwadraty i romby), to wynika, że w jednym z kierunków to coś zamienia ruch (pęd) liniowy w obrotowy. Inaczej nie pisaliby o zaburzaniu symetrii, bo w normalnych materiałach czy uderzysz w miękkie, czy twarde, to cały pęd i tak przekażesz (tyle że z różnymi prędkościami), a symetria zostanie zachowana. Tu jest inaczej, ale działa to jednorazowo (raz się toto skręca i "wsysa" pęd - trochę jak te zderzaki z Kowar).
Gość Astro, 17 lutego 2017, 09:11
Istotna zapewne jest jeszcze "miękka i sztywna" strona:
Jeśli ktoś znalazłby nieco czasu by to rozkminić, byłbym wdzięczny.
tempik, 17 lutego 2017, 14:14
uwaga objaśniam!!:
z rysunku wnioskuję że działa to tak: przykładasz siłę od tej ciekawszej strony, przejmuje ją pierwszy rząd rombów i skręca trochę 2 rząd, następnie drugi przekazuje kolejnemu i znowu skręca kolejny poziom. razem ze skręcaniem sprzężonych rombów skręca się też wektor siły. po kilku poziomach wektor obróci się o >90 stopni, a może nawet 180?. pewnie naciskając jedną kolumnę z jakąś siłą siła przekazywana jest na kolumnę sąsiednią tylko już z wektorem przeciwnym. powstaje jakby sytuacja dmuchania w żagiel będąc na łódce.
w drugą stronę romby nie skręcają się i siła działa zgodnie z kierunkiem przyłożonej siły.
pewnie układ nie jest idealny i tłumi tylko jakiś % siły.
Gość Astro, 17 lutego 2017, 14:22
Pięknie. Przyjrzyj się tym kwadratom i rombom, jak również strzałeczkom (skręt). Gdzie leży problem asymetrii?