Venus flytraps gör det, fällkäftmyror gör det, och nu kan materialvetare vid University of Massachusetts Amherst göra det, också - de upptäckte ett sätt att effektivt omvandla elastisk energi i en fjäder till kinetisk energi för hög acceleration, extrema hastighetsrörelser som naturen gör det.

I fysiken av mänskligt skapade och många naturliga system, att omvandla energi från en form till en annan innebär vanligtvis att förlora mycket av den energin, säger försteförfattaren Xudong Liang och seniorforskaren Alfred Crosby. "Det är alltid en hög kostnad, och det mesta av energin i en omvandling går förlorad, " säger Crosby. "Men vi har upptäckt åtminstone en mekanism som hjälper avsevärt." Detaljer finns i Fysiska granskningsbrev.

Med hjälp av höghastighetsbilder, Liang och Crosby mätte i detalj rekylen, eller knäppa, rörelse av elastiska band som kan nå accelerationer och hastigheter som liknar många av de naturliga biologiska system som inspirerade dem. Genom att experimentera med olika elastiska bandkonformationer, de upptäckte en mekanism för att imitera myror och flugfälla snabba rörelser, högeffektsimpulshändelser med minimal energiförlust.

Liang, som nu är på fakulteten vid Binghamton University, och Crosby är en del av en grupp som inkluderar robotiker och biologer som leds av den tidigare UMass Amherst-experten Sheila Patek, nu vid Duke University. Hon har studerat mantisräkornas extremt snabba rovfågelbipage-snappande rörelse i åratal. Deras team med flera institutioner stöds av ett anslag från U.S. Army Multidisciplinary University Research Initiative (MURI) finansierat av U.S. Army Research Laboratory och dess forskningskontor.

I Liangs observationer och experiment, han upptäckte de underliggande förhållandena där energi är mest bevarad – plus den grundläggande fysiken – och presenterar vad Crosby kallar "några riktigt vackra teorier och ekvationer" för att stödja deras slutsatser. "Vår forskning visar att interna geometriska strukturer i en fjäder spelar en central roll för att förbättra energiomvandlingsprocessen för rörelser med hög effekt, " konstaterar Crosby.

Hemligheten visade sig vara att lägga till strategiskt placerade elliptiska - inte cirkulära - hål i det elastiska bandet, säger Liang. "Att upprätthålla effektivitet är inte intuitivt, det är väldigt svårt att gissa hur man gör innan man experimenterar med det. Men du kan börja bilda en teori när du väl ser hur experimentet går över tid. Du kan börja fundera på hur det fungerar."

Han saktade ner handlingen för att titta på snäpprörelsen i en syntetisk polymer som fungerar som ett gummiband.

Liang upptäckte att den strukturella hemligheten ligger i att designa ett mönster av hål. "Utan hål sträcker sig allt, " konstaterar han. "Men med hål, vissa områden av materialet kommer att vända och kollapsa." När vanliga band sträcks ut och dras tillbaka, mindre än 70 % av den lagrade energin utnyttjas för högeffektsrörelse, resten är förlorat.

Däremot, att lägga till porer förvandlar banden till mekaniska metamaterial som skapar rörelse genom rotation, Liang förklarar. Han och Crosby visar att med metamaterial, mer än 90 % av den lagrade energin används för att driva rörelse. "Inom fysiken, böjning åstadkommer samma rörelse med mindre energi, så när du manipulerar mönstret på porerna kan du designa bandet så att det böjs internt; det blir högeffektivt, ", tillägger Crosby.

"Detta visar att vi kan använda struktur för att ändra egenskaper i material. Andra visste att detta var ett intressant tillvägagångssätt, men vi flyttade det framåt, särskilt för höghastighetsrörelser och omvandling från elastisk energi till rörelseenergi, eller rörelse. "

De två hoppas att detta framsteg kommer att hjälpa robotister i deras MURI-team och andra med ett prestandamål att hjälpa dem att designa högeffektiva, snabba kinetiska robotsystem.

Liang säger, "Nu kan vi lämna över några av dessa strukturer och säga, "Så här designar du en fjäder för dina robotar." Vi tror att den nya teorin öppnar upp för många nya idéer och frågor om hur man ser på biologin, hur vävnaderna är strukturerade eller deras skal är konfigurerade för att tillåta rotation som vi visar är nyckeln, " han lägger till.