Понедельник, 4 марта, 2024
ДомойТехнологииРаскрытие секретов механической памяти в метаматериалах

Раскрытие секретов механической памяти в метаматериалах

- Advertisement -

Лента Мёбиуса, напечатанная на 3D-принтере (слева) и метакольцо с нечетным номером (справа). Это оба неориентируемые объекты, у которых на кольце обязательно будет точка, которая не деформируется. 1 кредит

Революционное открытие в области дизайна метаматериалов открывает материалы со встроенной устойчивостью к деформации и механической памятью, что обещает достижения в робототехнике и вычислительной технике.

Исследователи из Института физики Амстердамского университета и ENS de Lyon обнаружили, как создавать материалы, которые обязательно имеют точку или линию, где материал не деформируется под напряжением, и которые даже запоминают, как их тыкали или сжимали в прошлом. . Эти результаты могут быть использованы в робототехнике и механических компьютерах, а аналогичные принципы проектирования можно использовать в квантовых компьютерах.

Результатом стал прорыв в области метаматериалы: дизайнерские материалы, реакция которых определяется их структурой, а не химическим составом. Чтобы создать метаматериал с механической памятью, физики Сяофэй Го, Марсело Гусман, Дэвид Карпантье, Дени Бартоло и Корентен Куле поняли, что его дизайн необходимо «разочаровать» и что это разочарование соответствует новому типу порядка, который они называют неориентируемый порядок.

Физика с изюминкой

Простым примером неориентируемого объекта является лента Мёбиуса, сделанная путем взятия полосы материала, добавления к ней половины скрутки и последующего склеивания ее концов. Вы можете попробовать это дома с полоской бумаги. Проведя пальцем по поверхности ленты Мёбиуса, вы обнаружите, что, когда вернетесь в исходную точку, ваш палец окажется на другой стороне бумаги.

Лента Мёбиуса неориентируема, поскольку невозможно последовательно пометить две стороны ленты; поворот делает всю поверхность одной и той же. В этом отличие от простого цилиндра (полосы без каких-либо скруток, концы которой склеены), имеющего четко выраженную внутреннюю и внешнюю поверхность.

Го и ее коллеги поняли, что эта неориентируемость сильно влияет на то, как объект или метаматериал реагирует на толчок или сжатие. Если вы поместите простой цилиндр и ленту Мёбиуса на плоскую поверхность и нажмете на них сверху, вы обнаружите, что все стороны цилиндра будут выпирать (или внутрь), тогда как стороны ленты Мёбиуса не могут этого сделать. одинаковый. Вместо этого неориентируемость последней гарантирует, что вдоль полосы всегда существует точка, где она не деформируется под давлением.

Лента Мёбиуса, напечатанная на 3D-принтере (вверху) и два метакольца с нечетными номерами (среднее и нижнее). Это все неориентируемые объекты, у которых на кольце обязательно будет точка, которая не деформируется. 1 кредит

Разочарование – это не всегда плохо

Примечательно, что такое поведение выходит далеко за рамки лент Мёбиуса. «Мы обнаружили, что поведение неориентируемых объектов, таких как ленты Мёбиуса, позволяет нам описывать любой материал, который глобально нарушен. Эти материалы, естественно, хотят быть упорядоченными, но что-то в их структуре не позволяет порядку охватывать всю систему и заставляет упорядоченный узор исчезать в одной точке или линии пространства. Невозможно избавиться от этой точки схода, не разрезая структуру, поэтому она должна быть там, несмотря ни на что», — объясняет Куле, руководитель Лаборатории машинных материалов в Амстердамском университете.

Проектирование механических метаматериалов

Исследовательская группа спроектировала и напечатала на 3D-принтере свои собственные механические структуры из метаматериалов, которые демонстрируют такое же нестабильное и неориентируемое поведение, что и ленты Мёбиуса. Их конструкция основана на кольцах квадратов, соединенных шарнирами по углам. При сжатии этих колец соседние квадраты будут вращаться в противоположные стороны, так что их края сближаются. Противоположное вращение соседей делает реакцию системы аналогичной антиферромагнитному упорядочению, возникающему в некоторых магнетиках.

Кольца, состоящие из нечетного числа квадратов, не работают, поскольку все соседние квадраты не могут вращаться в противоположных направлениях. Таким образом, сжатые нечетные кольца обладают неориентируемым порядком, при котором угол поворота в одной точке кольца должен стремиться к нулю.

Будучи особенностью общей формы материала, это надежное топологическое свойство. Соединив несколько метаколец вместе, можно даже имитировать механику топологических структур более высоких измерений, таких как бутылка Клейна.

Метаматериалы с механической памятью

Наличие усиленной точки или линии нулевой деформации является ключом к наделению материалов механической памятью. Вместо того, чтобы сжимать кольцо из метаматериала со всех сторон, вы можете нажимать на кольцо в отдельных точках. При этом порядок нажатия различных точек определяет, где окажется точка или линия с нулевой деформацией.

Это форма хранения информации. Его даже можно использовать для выполнения определенных типов логических элементов, составляющих основу любого компьютерного алгоритма. Таким образом, простое кольцо из метаматериала может функционировать как механический компьютер.

Широкие применения и перспективы на будущее

Помимо механики, результаты исследования показывают, что неориентируемость может быть надежным принципом проектирования метаматериалов, которые могут эффективно хранить информацию в разных масштабах, в таких разнообразных областях, как коллоидная наука, фотоника, магнетизм и атомная физика. Это может быть даже полезно для новых типов квантовых компьютеров.

Куле заключает: «Далее мы хотим использовать устойчивость исчезающих деформаций для робототехники. Мы считаем, что исчезающие деформации можно использовать для создания роботизированных рук и колес с предсказуемыми механизмами изгиба и передвижения».

Ссылка: «Неориентируемый порядок и некоммутативный отклик в фрустрированных метаматериалах» Сяофея Го, Марсело Гусмана, Давида Карпентье, Дени Бартоло и Корентена Куле, 14 июня 2023 г., Природа.
DOI: 10.1038/s41586-023-06022-7

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме