Ученые из Технологического института Карлсруэ (KIT) разработали новый класс механических метаматериалов, которые хранят и высвобождают упругую энергию эффективнее, чем когда-либо прежде.
Пружины, буферы и энергопоглощающие элементы приводят в действие все — от промышленных машин до футуристических роботизированных конечностей. Новый материал использует уникальную структуру скрученных стержней, которые деформируются в спиральной форме, что позволяет ему поглощать и высвобождать большое количество упругой энергии. Он сочетает в себе высокую жесткость, высокую прочность и исключительную гибкость.
Метаматериал — это специально разработанное вещество, обладающее свойствами, не существующими в природе. Оно изготавливается путем точного расположения крошечных структурных элементов для создания конструкций с улучшенными механическими свойствами.
Обычно при изгибе пружины на ее верхней и нижней поверхностях возникает напряжение, что часто приводит к поломке или необратимой деформации. Стержни в новом метаматериале плотно скручены и расположены в определенном порядке, так, что при сгибании напряжение распределяется более равномерно по его поверхности и позволяет хранить больше энергии без повреждений.
Сложность заключается в том, чтобы объединить противоречивые свойства: высокую жесткость, высокую прочность и большую восстанавливаемую деформацию.
Тщательно разместив эти скрученные стержни в структурированную сеть, ученые создали материал, который может хранить гораздо больше энергии, чем традиционные материалы, оставаясь при этом прочным и жестким.
Сначала мы обнаружили механизм, позволяющий хранить большое количество энергии в простом круглом стержне, не ломая его и не деформируя навсегда. Определив разумное расположение стержней, мы затем интегрировали этот механизм в метаматериал.
Выровняв стержни точным образом, исследователи создали элемент, который можно максимально растягивать или сжимать, а потом безболезненно возвращать к его первоначальной форме. Компьютерное моделирование предсказало, что эта конструкция будет обладать высокой жесткостью и сможет выдерживать большие нагрузки. Испытания подтвердили, что ее способность накапливать энергию в 160 раз выше, чем у других известных метаматериалов.
Потенциал использования новой конструкции огромен.
Наши новые метаматериалы с их высокой эластичной способностью хранения энергии имеют потенциал для использования в различных областях в будущем, где требуются как эффективное хранение энергии, так и исключительные механические свойства.
Используя способность материала растягиваться и восстанавливаться без поломок, роботы могут стать более гибкими и долговечными, а использование его в традиционных шарнирах улучшит движение роботизированных конечностей и носимых экзоскелетов.
Читайте также нашу статью о новом прозрачном материале, который охлаждает помещения и сам очищается.
