باز کردن مواد سحر و جادو: متاماد مکانیکی قابل برنامه ریزی برای آینده ای باهوش تر

فراتر از معمول: متام مواد چیست؟

کلمه “metamaterial” به معنای واقعی کلمه به معنای “فراتر از مواد” است. اینها مواد طراحی شده با خواص منحصر به فرد هستند که در طبیعت یافت نمی شوند. آنها ویژگی های غیرمعمول خود را ، مانند فوق العاده خفیف و یا واکنش های مکانیکی عجیب و غریب ، از ساختارهای داخلی پیچیده خود دریافت می کنند. برای چندین دهه ، دانشمندان پیشرفت زیادی در طراحی این “متامدانهای مشبک” با هندسه های پیچیده داخلی داشته اند.

با این حال ، یک چالش بزرگ باقی مانده است: پس از ساخت این مواد ، خواص آنها ثابت شد. پرش هیجان انگیز در این کتاب جدید توانایی فعال و سفارش این خصوصیات در زمان واقعی است. این کتاب اخیراً منتشر شده با نام “اتصال ناهمگن فعال از متامادهای معماری چند فیزیکی ، برای برنامه های موقت ، جوی و قابل تنظیم” “طراحی مشبک فعال” را ارائه می دهد. ایده اصلی این معماری فعال دو سال پیش از آزمایش با کوره های شش ضلعی سنتی و تکه های پیزوالکتریک به طور غیرقانونی به وجود آمد.

سس مخفی: عناصر برق و اتصال قابل برنامه ریزی

مطالعه ما بر دستیابی به آن متمرکز است “اتصال ناهمگن حالت“در هندسه متقارن معمولی مشبک ، ابتدا با افزودن بصری عناصر برق. به عبارت ساده ، مواد سنتی اغلب واکنشهای مکانیکی جداگانه ای را نسبت به نیروهای مختلف نشان می دهند ، مانند کشش هنگام کشیدن و پیچش هنگام برش؟”

نکته اصلی این “جادوی مادی” در ترکیب “عناصر برق” ، به ویژه تکه های پیزوالکتریک ، در ساختار متامال است. مواد پیزوالکتریک دارای خاصیت جذاب هستند: وقتی ولتاژ الکتریکی بر روی آنها اعمال می شود ، تغییر شکل می دهند. با قرار دادن استراتژیک این عناصر در یک مشبک شش ضلعی ، “معماری نوار پیزو-فلزی متناوب متناوب ما” به یک ویژگی کلان و الاستیک اجازه می دهد تا به ولتاژهای الکتریکی خارجی بستگی داشته باشد.

این بدان معنی است که ما به “تنش قابل برنامه ریزی وابسته به اتصال سازنده رژیم” و همچنین مدولاسیون چندمدی فعال استحکام دست یافته ایم. این به سادگی با تغییر ولتاژ ، می توانید کنترل کنید که چقدر کشش مواد یا فشرده سازی مواد و چه تعداد پیچیده یا قیچی در همان زمان وجود دارد. به عنوان مثال ، یک “بلوک هوشمند” ساخته شده از این ماده متامال را تصور کنید. اگر روی آن بایستید ، احساس پرش به پایین (تغییر شکل طبیعی) ، بلکه در همان زمان ترجمه افقی (حالت برشی) خواهید بود. بخش باورنکردنی این است که با تنظیم فشارهای خارجی می توان مقدار این ترجمه افقی یا پرش عمودی را کنترل کرد! جالب اینجاست که در ولتاژ صفر هیچ کشویی بین سطوح وجود ندارد. این پدیده فعال اتصال به ندرت در متاماد مکانیکی ، به ویژه در هندسه های 2D متقارن معمولی ، مورد بررسی قرار می گیرد.

زیرکانه به عملکرد احتمالی: ارتباط در دنیای واقعی برای شکل دادن به آینده ما

عواقب این دستیابی به موفقیت بسیار زیاد و هیجان انگیز است و جنبه های مختلف برنامه های مکانیکی مدرن را که باید توسط محققان آینده مورد مطالعه قرار گیرد ، لمس می کند.
مانند بالهای هواپیما یا تیغه های توربین های بادی که می توانند به صورت پویا شکل خود را در حین کار برای بهینه سازی بهره وری تغییر دهند. این فناوری می تواند ساختارهای واقعاً تطبیقی ​​را فراهم کند ، که اجازه می دهد تا در صورت درخواست ، وتر ، مورد و تمیز کردن در آئروفیل ها.

روبات های نرم انعطاف پذیر هستند و با تغییر شکل آنها می توانند در محیط های پیچیده حرکت کنند. متام ماده شش ضلعی ساخته شده پیزو ساخته شده می تواند چنین “حرکت مبتنی بر تغییر شکل” را در زمان واقعی با استفاده از فشارهای خارجی بدست آورد و کنترل کند (به فیلم 1 مراجعه کنید). اگر تنش صفر باشد ، هیچ حرکتی وجود ندارد!

“این پیشرفت ، که در این کار ارائه شده است ، امکان انتقال فعال و ناراحت کننده بین خصوصیات جامد و انعطاف پذیر را فراهم می کند. بر خلاف مواد معمولی که در آن سفتی بالا اغلب به معنای چگالی و وزن بالا است ، متاماد جدید ما می تواند به سختی (چه در حالت های طبیعی و چه در جذب) به کاربردی برسد.” [1]حرف

بنابراین ، اکنون می توان یک ماده متاملی ثابت که در یک مکان خاص کار می کند ، داشته باشد و سپس یک حرکت برای انتقال آن به مکان دیگری برای انجام عملیات باری بیشتر در مکان جدید داشته باشد. چنین حرکت همزمان رباتیک و بار در صورت درخواست برای اولین بار در این کار پیشنهاد شده است.

این همان چیزی است که حتی بیشتر در مورد باز کردن وجود دارد. “کلاه های نامرئی” یا “نامرئی” مانند هری پاتر ، شخصیتی در رمان های JK Rowling نمونه ای از ایجاد اشیاء نامرئی برای چشم انسان را نشان می دهد. ایده مشابهی از “نامرئی بودن نوری” بعداً با ظهور متامومهای مختلف الکترومغناطیسی تحقق می یابد. چه می شود اگر به جای توهم نوری ، ما همان مفهوم (“نامرئی بودن مکانیکی”) را با استفاده از متاماد مکانیکی گسترش دهیم؟ بیایید ابتدا رژیم مکانیکی پنهان در اینجا را تعریف کنیم. این رژیم پنهان می تواند به پدیده ای هدایت شود که در آن رژیم های تغییر شکل مکانیکی خاصی (یا پاسخ) ، مانند کرنش یا تغییر شکل در یک جهت خاص ، سرکوب می شوند یا “نامرئی” می شوند ، حتی در صورت اعمال استرس. این مانند “پنهان کردن” پاسخ های مکانیکی مواد در یک حالت یا جهت خاص است. کار ما احتمال “پنهان کردن جزئی حالت” را اثبات می کند ، جایی که ، به عنوان مثال ، فقط یک فشار برشی حتی در فشارهای طبیعی وجود دارد. این امر امکان شناسایی زمان واقعی و سرکوب بارهای ناخواسته در ساختارهای هوشمند مکانیکی ، هوافضا و زیست پزشکی را فراهم می کند. این می تواند به “دوقلوهای دیجیتال” پیشرفته منجر شود که می تواند ولتاژهای ناخواسته را از طریق فشارهای برنامه ریزی شده لغو کند و از ویژگی های مکانیکی مداوم و شرایط انحراف آسیب اطمینان حاصل کند.

منابع (فراموش نکنید که بررسی کنید!):

1. Mondal ، S. ، Mukhopadhyay ، T. ، & Naskar ، S. (2025). اتصال ناهمگن فعال حالت در متاماد معماری چند آرت در زمان دو مرحله برای زمان ، برنامه نویسی قابل تنظیم و قابل تنظیم. مهندسی ارتباطات ، انتشار طبیعت ، 4 (1) ، 1-15.