När du deformerar ett mjukt material som Silly Putty, dess egenskaper ändras beroende på hur snabbt du sträcker och pressar den. Om du lämnar kittet i ett litet glas, det kommer så småningom att spridas ut som en vätska. Om du drar det långsamt, det kommer att tunna och hänga som viskös taffy. Och om du snabbt slår på det, Silly Putty kommer att knäppa som en spröd, solid bar.

Forskare använder olika instrument för att sträcka, pressa, och vrid mjuka material för att exakt karaktärisera deras styrka och elasticitet. Men vanligtvis, sådana experiment utförs i följd, vilket kan vara tidskrävande.

Nu, inspirerad av ljudsekvenserna som används av fladdermöss och delfiner vid ekolokalisering, MIT -ingenjörer har utvecklat en teknik som avsevärt förbättrar hastigheten och noggrannheten vid mätning av mjuka materialegenskaper. Tekniken kan användas för att testa egenskaperna hos torkning av cement, koagulationsblod, eller andra "muterande" mjuka material när de förändras över tiden. Forskarna rapporterar sina resultat i tidskriften Fysisk granskning X .

"Denna teknik kan hjälpa i många branscher, [som inte behöver] ändra sina etablerade instrument för att få en mycket bättre och noggrann analys av deras processer och material, "säger Bavand Keshavarz, en postdoc vid MIT:s avdelning för maskinteknik.

"Till exempel, detta protokoll kan användas för ett brett spektrum av mjuka material, från saliv, som är viskoelastisk och trådig, material som är så styva som cement, "tillägger doktoranden Michela Geri." De kan alla förändras snabbt med tiden, och det är viktigt att karaktärisera deras egenskaper snabbt och exakt. "

Geri och Keshavarz är medförfattare till tidningen, som också inkluderar Gareth McKinley, ingenjörshögskolan professor i undervisningsinnovation och professor i maskinteknik vid MIT; Thibaut Divoux från CNRS-MIT gemensamma laboratorium; Christian Clasen från KU Leuven i Belgien; och Dan Curtis från Swansea University i Wales.

Mot snabbare mätningar

Gruppens nya teknik förbättrar och förlänger deformationssignalen som fångas upp av ett instrument som kallas en reometer. Vanligtvis, dessa instrument är utformade för att sträcka och pressa ett material, fram och tillbaka, över små eller stora stammar, beroende på en signal som skickas i form av en enkel oscillerande profil, som berättar instrumentets motor hur snabbt eller hur långt deformeras materialet. En högre frekvens gör att motorn i reometern fungerar snabbare, klippa materialet snabbare, medan en lägre frekvens saktar ner denna deformation.

Andra instrument som testar mjuka material arbetar med liknande insignaler. Dessa kan inkludera system som pressar och vrider material mellan två plattor, eller att omröra material i behållare, vid hastigheter och krafter som bestäms av frekvensprofilen som ingenjörer programmerar in i instrumentets motorer.

Hittills, den mest exakta metoden för att testa mjuka material har varit att göra tester i följd under en utdragen period. Under varje test, ett instrument kan, till exempel, stretcha eller klippa ett material med en enda låg frekvens, eller motoroscillation, och registrera dess styvhet och elasticitet innan du byter till en annan frekvens. Även om denna teknik ger exakta mätningar, det kan ta timmar att fullt ut karakterisera ett enda material.

Ett ringande kvittrande

Under de senaste åren har forskare har försökt påskynda processen med att testa mjuka material genom att ändra instrumentens insignal och komprimera frekvensprofilen som skickas till motorerna.

Forskare hänvisar till detta kortare, snabbare, och mer komplex frekvensprofil som en "kvittring, "efter den liknande strukturen av frekvenser som produceras i radar- och sonarfält - och mycket brett, i vissa vokaliseringar av fåglar och fladdermöss. Chirp -profilen påskyndar avsevärt en experimentell testkörning, gör det möjligt för ett instrument att på bara 10 till 20 sekunder mäta ett materials egenskaper över ett intervall av frekvenser eller hastigheter som traditionellt skulle ta cirka 45 minuter.

Men i analysen av dessa mätningar, forskare hittade artefakter i data från normala kvittringar, känd som ringeffekter, vilket betyder att mätningarna inte var tillräckligt exakta:De verkade svänga eller "ringa" runt de förväntade eller faktiska värdena för styvhet och elasticitet hos ett material, och dessa artefakter tycktes härröra från kvittret amplitudprofil, som liknade en snabb ramp-up och ramp-down av motorns oscillationsfrekvenser.

"Det här är som när en idrottare går på en 100-meters sprint utan att värma upp, "Säger Keshavarz.

Geri, Keshavarz, och deras kollegor försökte optimera chirp -profilen för att eliminera dessa artefakter och därför producera mer exakta mätningar, samtidigt som man håller samma korta testtid. De studerade liknande kvittrande signaler i radar och ekolod - fält som ursprungligen var pionjärer vid MIT Lincoln Laboratory - med profiler som ursprungligen inspirerades av kvittringar som producerades av fåglar, fladdermöss, och delfiner.

"Fladdermöss och delfiner skickar ut en liknande kvittrande signal som inkapslar ett frekvensområde, så att de snabbt kan hitta byten, "Geri säger." De lyssnar på vad [frekvenser] kommer tillbaka till dem och har utvecklat sätt att korrelera det med avståndet till objektet. Och de måste göra det mycket snabbt och exakt, annars kommer bytet undan. "

Teamet analyserade chirp -signalerna och optimerade dessa profiler i datasimuleringar, applicerade sedan vissa chirp -profiler på sin reometer i labbet. De fann att signalen som reducerade ringeffekten mest var en frekvensprofil som fortfarande var lika kort som den konventionella kvittrande signalen - cirka 14 sekunder lång - men som steg upp gradvis, med en smidigare övergång mellan de olika frekvenserna, jämfört med de ursprungliga chirp -profilerna som andra forskare har använt.

De kallar den här nya testsignalen för ett "optimalt fönstret kvittra, "eller OWCh, för den resulterande formen på frekvensprofilen, som liknar ett smidigt rundat fönster snarare än ett skarpt, rektangulär ramp-up och ramp-down. I sista hand, den nya tekniken beordrar en motor att sträcka och klämma in ett material mer gradvis, smidigt sätt.

Teamet testade sin nya chirp -profil i labbet på olika viskoelastiska vätskor och geler, börjar med en laboratorielandardpolymerlösning som de kännetecknade med den traditionella, långsammare metod, den konventionella chirp -profilen, och deras nya OWCh -profil. De fann att deras teknik producerade mätningar som nästan exakt matchade dem för den exakta men långsammare metoden. Deras mätningar var också 100 gånger mer exakta än vad den konventionella chirp -metoden producerade.

Forskarna säger att deras teknik kan tillämpas på alla befintliga instrument eller apparater som är utformade för att testa mjuka material, och det kommer att påskynda den experimentella testprocessen avsevärt. De har också tillhandahållit ett programpaket med öppen källkod som forskare och ingenjörer kan använda för att hjälpa dem att analysera sina data, att snabbt karakterisera alla mjuka, utvecklande material, från koagulation av blod och torkande kosmetika, till stelnande cement.

"Mycket material inom natur och industri, i konsumentprodukter och i våra kroppar, förändras över ganska snabba tidsramar, "Säger Keshavarz." Nu kan vi övervaka svaret på dessa material när de ändras, över ett stort antal frekvenser, och på kort tid. "