과학자들은 프로그래밍 가능한 반응을 갖춘 메타유체를 개발했습니다.

John A.의 과학자들 Harvard의 Paulson School of Engineering and Applied Sciences(SEAS)는 조정 가능한 탄성, 광학적 특성, 점도, 심지어 뉴턴 유체와 비뉴턴 유체 사이의 전환 능력까지 갖춘 프로그래밍 가능한 메타유체 유체를 개발했습니다.

최초의 메타형광 액체는 50~500 마이크론 사이의 작은 고무 볼 현탁액을 사용합니다. 이 볼은 압력에 따라 구부러져 액체의 특성을 근본적으로 변화시킵니다. Metafluidic은 유압 액츄에이터부터 프로그래밍 가능한 로봇, 충격의 심각도에 따라 에너지를 분산시킬 수 있는 스마트 충격 흡수 장치, 투명에서 불투명으로 전환할 수 있는 광학 장치에 이르기까지 모든 분야에 사용될 수 있습니다.

이 연구는 자연.

SEAS의 재료 과학 및 기계 공학 연구원이자 논문의 첫 번째 저자인 Adel Jalouli는 “우리는 이 새로운 종류의 유체로 가능한 것의 표면만을 긁어 모으고 있습니다.”라고 말했습니다. “이 하나의 플랫폼을 사용하면 다양한 영역에서 다양한 작업을 수행할 수 있습니다.”

메타유체와 고체

구성이 아닌 구조에 따라 특성이 결정되는 가공 재료인 메타물질은 수년 동안 다양한 응용 분야에서 널리 사용되어 왔습니다. 그러나 Federico Capasso와 Robert L. 실험실의 선구적인 금속 광물과 같은 대부분의 재료는 Fenton Hayes 응용 과학 학교의 전기 공학 선임 연구원인 Wallace는 고체입니다.

메타형광 유체 아래에 Harvard University 로고가 표시된 조정 가능한 광학 장치. 크레딧: 하버드 대학교 SEAS

“단단한 것과는 달리 메타물질“은유적 유체는 용기의 모양에 따라 흐르고 적응하는 독특한 능력을 가지고 있습니다.”라고 응용과학대학 응용역학 교수이자 논문 수석 저자인 Katia Bertoldi가 말했습니다. “우리의 목표는 이러한 훌륭한 특성을 가질 뿐만 아니라 프로그래밍 가능한 점도, 압축성 및 광학 특성을 위한 플랫폼을 제공하는 메타유체를 만드는 것이었습니다.”

David A. 실험실에서 개발된 확장성이 뛰어난 제조 기술을 사용합니다. SEAS의 Mallinckrodt 물리학 및 응용물리학 교수인 Weitz 연구팀은 변형 가능성이 높고 공기가 채워진 구형 캡슐 수십만 개를 생산하여 실리콘 오일에 부유시켰습니다. . 유체 내부의 압력이 증가하면 캡슐이 붕괴되어 렌즈와 같은 반구를 형성합니다. 이 압력이 제거되면 캡슐은 구형으로 돌아갑니다.

메타유체 특성 및 응용

이 변환은 점도 및 불투명도를 포함한 유체의 여러 특성을 변경합니다. 이러한 특성은 액체 내 캡슐의 수, 두께 및 부피를 변경하여 조정할 수 있습니다.

연구원들은 형이상학적인 유체를 유압식 로봇 그리퍼에 넣고 그리퍼가 병, 달걀, 베리를 집게 함으로써 유체의 프로그래밍 가능성을 입증했습니다. 단순한 기존의 공기 또는 수력 유압 시스템에서 로봇은 그립을 조정하고 세 개의 물체를 부수지 않고 집을 수 있도록 일종의 외부 센서나 제어 장치가 필요합니다.

하지만 메타플루이드를 사용하면 감지할 필요가 없습니다. 유체 자체는 다양한 압력에 반응하여 적합성을 변경하여 손잡이의 힘을 조정하므로 추가 프로그래밍 없이 무거운 병, 섬세한 계란, 작은 베리를 집을 수 있습니다.

Jalouli는 “우리는 이 유체를 사용하여 간단한 로봇에 지능을 부여할 수 있다는 것을 보여주었습니다.”라고 말했습니다.

또한 팀은 메타유체학을 변경하여 다시 프로그래밍할 수 있는 유체 논리 게이트를 시연했습니다.

광학적 성질과 액체의 상태

Metafluid는 다양한 압력에 노출되면 광학 특성도 변경됩니다.

캡슐이 둥글면 빛이 산란되어 액체가 불투명해집니다. 마치 기포가 탄산수를 하얗게 보이게 하는 것과 같습니다. 그러나 압력이 가해지고 캡슐이 붕괴되면 작은 렌즈처럼 작용하여 빛을 집중시키고 액체를 투명하게 만듭니다. 이러한 광학적 특성은 압력에 따라 색상이 변하는 전자 잉크와 같은 다양한 응용 분야에 사용될 수 있습니다.

연구자들은 또한 캡슐이 구형일 때 메타유체가 뉴턴 유체처럼 거동한다는 것을 보여주었습니다. 이는 메타유체의 점도가 온도에 따라서만 변한다는 것을 의미합니다. 그러나 캡슐이 붕괴되면 현탁액은 비뉴턴 유체로 변합니다. 즉, 전단력에 따라 점도가 변하게 됩니다. 전단력이 클수록 더 많은 유체가 됩니다. 이것은 뉴턴 상태와 비뉴턴 상태 사이를 전환하는 것으로 나타난 최초의 메타유체입니다.

다음으로, 연구진은 초유체의 음향 및 열역학적 특성을 탐구하는 것을 목표로 합니다.

Bertoldi는 “이러한 확장 가능하고 생산하기 쉬운 메타유체의 적용 공간은 엄청납니다.”라고 말했습니다.

참조: Adel Jalouli, Bert van Raemdonck, Yang Wang, Yi Yang, Anthony Caillaud, David Weitz, Shmuel Rubinstein, Benjamin Goersen 및 Katja Bertoldi의 “프로그래밍 가능한 메타유체를 위한 쉘 들여쓰기”, 2024년 4월 3일, 자연.
도이: 10.1038/s41586-024-07163-z

하버드 대학교 기술 개발실은 이 연구와 관련된 지적 재산을 보호하고 상용화 기회를 모색하고 있습니다.

이 연구는 하버드 대학교 재료 연구 과학 및 엔지니어링 센터 보조금 번호 DMR-2011754를 통해 NSF의 일부 지원을 받았습니다.