قام علماء جامعة هارفارد بتطوير سائل “ذكي”.

لقد طور العلماء سائلًا ميتا مع استجابة قابلة للبرمجة.

قام العلماء في كلية جون أ. بولسون للهندسة والعلوم التطبيقية بجامعة هارفارد (SEAS) بتطوير سائل ميتافلويد قابل للبرمجة مع مرونة قابلة للضبط، وخصائص بصرية، ولزوجة، وحتى القدرة على الانتقال بين السوائل النيوتونية وغير النيوتونية.

يستخدم السائل الميتافلوري الأول من نوعه معلقًا من كرات مطاطية صغيرة – ما بين 50 إلى 500 ميكرون – تنثني تحت الضغط، مما يؤدي إلى تغيير خصائص السائل بشكل جذري. يمكن استخدام الميتافلويد في كل شيء بدءًا من المحركات الهيدروليكية إلى الروبوتات المبرمجة، إلى ممتصات الصدمات الذكية التي يمكنها تبديد الطاقة اعتمادًا على شدة التأثير، إلى الأجهزة البصرية التي يمكنها الانتقال من الوضوح إلى التعتيم.

يتم نشر البحث في طبيعة.

قال عادل جلولي، الباحث المشارك في علوم المواد والهندسة الميكانيكية في SEAS والمؤلف الأول لهذه الورقة: “نحن فقط نخدش سطح ما هو ممكن مع هذه الفئة الجديدة من السوائل”. “باستخدام هذه المنصة الواحدة، يمكنك القيام بالعديد من الأشياء المختلفة في العديد من المجالات المختلفة.”

Metafluids مقابل المواد الصلبة

المواد الخارقة – وهي مواد مُصممة هندسيًا يتم تحديد خصائصها من خلال بنيتها وليس تركيبها – تم استخدامها على نطاق واسع في مجموعة من التطبيقات لسنوات. لكن معظم المواد – مثل المعادن المعدنية الرائدة في مختبر فيديريكو كاباسو، وأستاذ الفيزياء التطبيقية روبرت إل. والاس، وزميل أبحاث كبير في الهندسة الكهربائية في كلية العلوم التطبيقية فينتون هايز – هي مواد صلبة.

بصريات قابلة للضبط مع شعار جامعة هارفارد معروض أسفل السائل الميتافلوري. الائتمان: جامعة هارفارد SEAS

“على عكس الصلبة المواد الفوقيةقالت كاتيا بيرتولدي، أستاذة الميكانيكا التطبيقية في كلية العلوم التطبيقية بجامعة SEAS ومؤلفة رئيسية للورقة البحثية: “تتمتع السوائل الميتافورية بقدرة فريدة على التدفق والتكيف مع شكل الحاوية الخاصة بها”. “كان هدفنا هو إنشاء سائل ميتا لا يمتلك هذه السمات الرائعة فحسب، بل يوفر أيضًا منصة للزوجة القابلة للبرمجة، والانضغاط، والخصائص البصرية.”

باستخدام تقنية تصنيع قابلة للتطوير بدرجة كبيرة تم تطويرها في مختبر ديفيد أ. ويتز، أستاذ الفيزياء والفيزياء التطبيقية في مالينكرودت في SEAS، أنتج فريق البحث مئات الآلاف من هذه الكبسولات الكروية شديدة التشوه والمملوءة بالهواء وعلقتها في زيت السيليكون. . وعندما يزداد الضغط داخل السائل، تنهار الكبسولات لتشكل نصف كرة يشبه العدسة. وعندما يتم إزالة هذا الضغط، تعود الكبسولات إلى شكلها الكروي.

خصائص وتطبيقات Metafluid

يغير هذا التحول العديد من خصائص السائل، بما في ذلك اللزوجة والعتامة. يمكن ضبط هذه الخصائص عن طريق تغيير عدد وسمك وحجم الكبسولات الموجودة في السائل.

أظهر الباحثون قابلية برمجة السائل عن طريق تحميل السائل الميتافيزيقي في قابض آلي هيدروليكي وجعل القابض يلتقط زجاجة وبيضة وتوت. في النظام الهيدروليكي التقليدي الذي يعمل بالهواء أو الماء البسيط، سيحتاج الروبوت إلى نوع من الاستشعار أو التحكم الخارجي ليتمكن من ضبط قبضته والتقاط الأشياء الثلاثة دون سحقها.

ولكن مع الميتافلويد، ليست هناك حاجة للاستشعار. يستجيب السائل نفسه لضغوط مختلفة، ويغير توافقه لضبط قوة المقبض ليتمكن من التقاط زجاجة ثقيلة، وبيضة رقيقة، وتوت صغير، بدون برمجة إضافية.

وقال جلولي: “لقد أظهرنا أنه يمكننا استخدام هذا السائل لمنح الذكاء لروبوت بسيط”.

أظهر الفريق أيضًا بوابة منطقية موائعية يمكن إعادة برمجتها عن طريق تغيير الموائع الخارقة.

الخصائص البصرية وحالات السوائل

يقوم الميتافلويد أيضًا بتغيير خصائصه البصرية عند تعرضه لضغوط متغيرة.

عندما تكون الكبسولات مستديرة، فإنها تبعثر الضوء، مما يجعل السائل معتمًا، مثلما تجعل فقاعات الهواء الماء الغازي يبدو أبيضًا. ولكن عندما يتم الضغط وتنهار الكبسولات، فإنها تعمل مثل العدسات الدقيقة، حيث تركز الضوء وتجعل السائل شفافًا. ويمكن استخدام هذه الخصائص البصرية لمجموعة من التطبيقات، مثل الأحبار الإلكترونية التي تغير لونها بناءً على الضغط.

وأظهر الباحثون أيضًا أنه عندما تكون الكبسولات كروية، فإن السائل الميتافي يتصرف مثل السائل النيوتوني، مما يعني أن لزوجته تتغير فقط استجابة لدرجة الحرارة. ومع ذلك، عندما تنهار الكبسولات، يتحول المعلق إلى سائل غير نيوتوني، مما يعني أن لزوجته ستتغير استجابة لقوة القص – كلما زادت قوة القص، أصبح أكثر سيولة. هذا هو أول سائل ميتا الذي تبين أنه ينتقل بين الحالات النيوتونية وغير النيوتونية.

بعد ذلك، يهدف الباحثون إلى استكشاف الخصائص الصوتية والديناميكية الحرارية للسوائل الخارقة.

وقال بيرتولدي: “إن مساحة تطبيق هذه السوائل الميتافورية القابلة للتطوير وسهلة الإنتاج ضخمة”.

المرجع: “انبعاج شل للسوائل الميتاوية القابلة للبرمجة” بقلم عادل جلولي، وبيرت فان رايمدونك، ويانغ وانغ، ويي يانغ، وأنتوني كايلود، وديفيد ويتز، وشموئيل روبنشتاين، وبنجامين غوريسن، وكاتيا بيرتولدي، 3 أبريل 2024، طبيعة.
دوى: 10.1038/s41586-024-07163-z

قام مكتب تطوير التكنولوجيا بجامعة هارفارد بحماية الملكية الفكرية المرتبطة بهذا البحث ويقوم باستكشاف فرص التسويق.

تم دعم هذا البحث جزئيًا من قبل NSF من خلال منحة مركز علوم وهندسة أبحاث المواد بجامعة هارفارد رقم DMR-2011754.