Forskare vid MIT:s Center for Bits and Atoms har skapat små byggstenar som uppvisar en mängd unika mekaniska egenskaper, såsom förmågan att producera en vridande rörelse när den kläms. Dessa underenheter skulle potentiellt kunna sättas ihop av små robotar till en nästan obegränsad mängd objekt med inbyggd funktionalitet, inklusive fordon, stora industridelar, eller specialiserade robotar som upprepade gånger kan sättas ihop i olika former.

Forskarna skapade fyra olika typer av dessa underenheter, kallas voxels (en 3D-variation på pixlarna i en 2D-bild). Varje voxeltyp uppvisar speciella egenskaper som inte finns i typiska naturmaterial, och i kombination kan de användas för att göra enheter som svarar på miljöstimuli på förutsägbara sätt. Exempel kan vara flygplansvingar eller turbinblad som reagerar på förändringar i lufttryck eller vindhastighet genom att ändra sin övergripande form.

Resultaten, som beskriver skapandet av en familj av diskreta "mekaniska metamaterial, " beskrivs i en tidning som publicerades i dag i tidskriften Vetenskapens framsteg , författad av nyligen MIT doktorand Benjamin Jenett Ph.D. '20, Professor Neil Gershenfeld, och fyra andra.

Metamaterial har fått sitt namn eftersom deras storskaliga egenskaper skiljer sig från mikronivåegenskaperna hos deras komponentmaterial. De används i elektromagnetik och som "byggda" material, som är utformade i nivå med sin mikrostruktur. "Men det har inte gjorts mycket för att skapa makroskopiska mekaniska egenskaper som ett metamaterial, " säger Gershenfeld.

Med detta tillvägagångssätt, ingenjörer bör kunna bygga strukturer som innehåller ett brett spektrum av materialegenskaper – och producera dem alla med samma delade produktions- och monteringsprocesser, säger Gershenfeld.

Voxlarna är sammansatta av platta ramstycken av formsprutade polymerer, sedan kombineras till tredimensionella former som kan sammanfogas till större funktionella strukturer. De är för det mesta öppna ytor och ger därför ett extremt lätt men styvt ramverk när de monteras. Förutom den grundläggande styva enheten, som ger en exceptionell kombination av styrka och lätt vikt, det finns tre andra varianter av dessa voxlar, var och en med olika ovanliga egenskaper.

De "auxetiska" voxlarna har en märklig egenskap där en kub av materialet, när den är komprimerad, istället för att bukta ut på sidorna buktar sig faktiskt inåt. Detta är den första demonstrationen av ett sådant material som producerats genom konventionella och billiga tillverkningsmetoder.

Det finns också "kompatibla" voxlar, med ett Poisson-förhållande på noll, som liknar den auxetiska egenskapen, men i det här fallet, när materialet är komprimerat, sidorna ändrar inte form alls. Få kända material uppvisar denna egenskap, som nu kan produceras genom detta nya tillvägagångssätt.

Till sist, "kirala" voxels svarar på axiell kompression eller sträckning med en vridande rörelse. På nytt, detta är en ovanlig egenskap; forskning som producerade ett sådant material genom komplexa tillverkningstekniker hyllades förra året som ett betydande fynd. Detta arbete gör denna egenskap lättillgänglig i makroskopiska skalor.

"Varje typ av materiell egendom vi visar har tidigare varit sitt eget område, " Gershenfeld säger. "Folk skulle skriva papper om bara den ena fastigheten. Det här är det första som visar dem alla i ett enda system."

För att demonstrera den verkliga potentialen hos stora föremål konstruerade på ett LEGO-liknande sätt av dessa massproducerade voxlar, laget, arbetar i samarbete med ingenjörer på Toyota, producerade en funktionell racerbil för supermil, som de demonstrerade på gatorna under en internationell robotkonferens tidigare i år.

De kunde sätta ihop den lätta, högpresterande struktur på bara en månad, Jenett säger, att bygga en jämförbar struktur med konventionella glasfiberkonstruktionsmetoder tidigare hade tagit ett år.

Under demonstrationen, gatorna var hala av regn, och racerbilen hamnade i en barriär. Till förvåning för alla inblandade, bilens gallerliknande inre struktur deformerades och studsade sedan tillbaka, absorberar stöten med liten skada. En konventionellt byggd bil, Jenett säger, skulle sannolikt ha blivit kraftigt bucklig om den var gjord av metall, eller krossad om den var sammansatt.

Bilen gav en levande demonstration av det faktum att dessa små delar verkligen kan användas för att göra funktionella enheter i mänsklig storlek. Och, Gershenfeld påpekar, i bilens struktur, "detta är inte delar kopplade till något annat. Det hela är gjort av ingenting annat än dessa delar, " förutom motorerna och strömförsörjningen.

Eftersom voxlarna är enhetliga i storlek och sammansättning, de kan kombineras på vilket sätt som helst för att tillhandahålla olika funktioner för den resulterande enheten. "Vi kan spänna över ett brett spektrum av materialegenskaper som tidigare har ansetts vara mycket specialiserade, " Gershenfeld säger. "Poängen är att du inte behöver välja en fastighet. Du kan göra, till exempel, robotar som böjer sig åt ena hållet och är stela åt ett annat håll och rör sig bara på vissa sätt. Och så, den stora förändringen jämfört med vårt tidigare arbete är denna förmåga att spänna över flera mekaniska materialegenskaper, som tidigare har betraktats isolerat."

Jenett, som utförde mycket av detta arbete som grund för sin doktorsavhandling, säger "dessa delar är billiga, lätt att tillverka, och mycket snabb att montera, och du får det här utbudet av egenskaper allt i ett system. De är alla kompatibla med varandra, så det finns alla dessa olika typer av exotiska egenskaper, men de spelar alla bra med varandra i samma skalbara, billigt system."

"Tänk på alla stela delar och rörliga delar i bilar och robotar och båtar och flygplan, " säger Gershenfeld. "Och vi kan spänna över allt detta med det här systemet."

En nyckelfaktor är att en struktur som består av en typ av dessa voxlar kommer att bete sig exakt på samma sätt som själva underenheten, säger Jenett. "Vi kunde visa att skarvarna effektivt försvinner när man sätter ihop delarna. Det beter sig som ett kontinuum, monolitiskt material."

Medan robotforskning har en tendens att delas mellan hårda och mjuka robotar, "det här är mycket inte heller, " Gershenfeld säger, på grund av dess potential att blanda och matcha dessa egenskaper inom en enda enhet.

One of the possible early application of this technology, Jenett says, could be for building the blades of wind turbines. As these structures become ever larger, transporting the blades to their operating site becomes a serious logistical issue, whereas if they are assembled from thousands of tiny subunits, that job can be done at the site, eliminating the transportation issue. Liknande, the disposal of used turbine blades is already becoming a serious problem because of their large size and lack of recyclability. But blades made up of tiny voxels could be disassembled on site, and the voxels then reused to make something else.

And in addition, the blades themselves could be more efficient, because they could have a mix of mechanical properties designed into the structure that would allow them to respond dynamically, passively, to changes in wind strength, han säger.

Övergripande, Jenett says, "Now we have this low-cost, scalable system, so we can design whatever we want to. We can do quadrupeds, we can do swimming robots, we can do flying robots. That flexibility is one of the key benefits of the system."