Ingenjörer och forskare vid University of Texas i Austin och AMOLF -institutet i Nederländerna har uppfunnit de första mekaniska metamaterialen som enkelt överför rörelser utan problem i ena riktningen samtidigt som de blockerar den i den andra, som beskrivs i en artikel publicerad den 13 februari Natur . Materialet kan ses som en mekanisk envägssköld som blockerar energi från att komma in men enkelt överför det att gå ut på andra sidan.

Forskarna utvecklade de första icke -ömsesidiga mekaniska materialen med hjälp av metamaterial, som är syntetiska material med egenskaper som inte finns i naturen.

Att bryta rörelsens symmetri kan möjliggöra större kontroll på mekaniska system och förbättrad effektivitet. Dessa icke -ömsesidiga metamaterial kan eventuellt användas för att realisera nya typer av mekaniska anordningar:till exempel ställdon (komponenter i en maskin som är ansvariga för att flytta eller styra en mekanism) och andra enheter som kan förbättra energiabsorberingen, konvertering och skörd, mjuk robotik och protes.

Forskarnas genombrott ligger i förmågan att övervinna ömsesidighet, en grundläggande princip för många fysiska system, vilket säkerställer att vi får samma svar när vi driver en godtycklig struktur från motsatta håll. Denna princip styr hur signaler från olika former färdas i rymden och förklarar varför, om vi kan skicka en radio eller en akustisk signal, vi kan också ta emot den. Inom mekanik, ömsesidighet innebär att rörelse genom ett objekt överförs symmetriskt:Om vi ​​genom att trycka på sidan A flyttar vi sida B med en viss mängd, vi kan förvänta oss samma rörelse vid sida A när du trycker på B.

"De mekaniska metamaterial vi skapade ger nya element i paletten som materialforskare kan använda för att designa mekaniska strukturer, sa Andrea Alu, professor vid Cockrell School of Engineering och medförfattare till uppsatsen. "Detta kan vara av extremt intresse för applikationer där det är önskvärt att bryta den naturliga symmetri som förskjutning av molekyler rör sig i mikrostrukturen i ett material."

Under de senaste åren har Alu, tillsammans med forskare Cockrell School Dimitrios Sounas och andra medlemmar i deras forskargrupp, har gjort spännande genombrott inom området för icke -ömsesidiga anordningar för elektromagnetik och akustik, inklusive realisering av första i sitt slag icke-ömsesidiga enheter för ljud, radiovågor och ljus. När jag besökte institutet AMOLF i Nederländerna, de inledde ett givande samarbete med Corentin Coulais, en AMOLF -forskare, som nyligen har utvecklat mekaniska metamaterial. Deras nära interaktion ledde till detta genombrott.

Forskarna skapade först en gummitillverkad, centimeterskala metamaterial med en skräddarsydd fiskbenskelettdesign. De skräddarsydde dess design för att uppfylla de viktigaste förutsättningarna för att bryta ömsesidighet, nämligen asymmetri och ett svar som inte är linjärt proportionellt mot den utövade kraften.

"Denna struktur gav oss inspiration för utformningen av ett andra metamaterial, med ovanligt starka icke -ömsesidiga egenskaper, "Coulais sa." Genom att ersätta de enkla geometriska elementen i fiskbensmetamaterialet med en mer invecklad arkitektur gjord av anslutna rutor och diamanter, vi fann att vi mycket starkt kan bryta villkoren för ömsesidighet, och vi kan uppnå ett mycket stort icke -ömsesidigt svar. "

Materialets struktur är ett gitter av rutor och diamanter som är helt homogent genom hela provet, som ett vanligt material. Dock, varje enhet i gitteret lutar något på ett visst sätt, och denna subtila skillnad styr dramatiskt hur metamaterialet reagerar på yttre stimuli.

"Metamaterialet som helhet reagerar asymmetriskt, med en mycket stel sida och en mycket mjuk sida, "Sounas sa." Förhållandet mellan enhetens asymmetri och den mjuka sidoplatsen kan förutsägas av en mycket generisk matematisk ram som kallas topologi. Här, när de arkitektoniska enheterna lutar åt vänster, metamaterialets högra sida kommer att vara mycket mjuk, och vice versa."

När forskarna applicerar en kraft på metamaterialets mjuka sida, det inducerar lätt rotationer av rutorna och diamanterna i strukturen, men bara i närheten av tryckpunkten, och effekten på andra sidan är liten. Omvänt, när de applicerar samma kraft på den styva sidan, rörelsen förökar sig och förstärks genom materialet, med stor effekt på andra sidan. Som ett resultat, att trycka från vänster eller höger ger mycket olika svar, vilket ger en stor icke -ömsesidighet även för små applicerade krafter.

Teamet ser fram emot att utnyttja dessa topologiska mekaniska metamaterial för olika tillämpningar, optimera dem, och snidningsanordningar ur dem för applikationer inom mjuk robotik, proteser och energiupptagning.