تخيل مركبة صغيرة مستقلة يمكنها القيادة فوق الأرض ، والتوقف ، وتسطيح نفسها في طائرة كوادكوبتر. تبدأ الدوارات بالدوران وتطير المركبة بعيدًا. بالنظر إليها عن كثب ، ماذا تعتقد أنك سترى؟ ما هي الآليات التي تسببت في تحولها من مركبة برية إلى طائرة كوادكوبتر تحلق؟ قد تتخيل التروس والأحزمة ، وربما سلسلة من المحركات المؤازرة الصغيرة التي سحبت كل قطعها في مكانها.
إذا تم تصميم هذه الآلية من قبل فريق في Virginia Tech بقيادة مايكل بارتليت ، الأستاذ المساعد في الهندسة الميكانيكية ، فسترى نهجًا جديدًا لتغيير الشكل على مستوى المواد. يستخدم هؤلاء الباحثون المطاط والمعدن ودرجة الحرارة لتحويل المواد وتثبيتها في مكانها بدون محركات أو بكرات. تم نشر عمل الفريق في Science Robotics . من بين المؤلفين المشاركين في البحث طلاب الدراسات العليا دوجيو هوانج وإدوارد جيه بارون الثالث وباحث ما بعد الدكتوراه ABM Tahidul Haque.
الحصول على الشكل
الطبيعة غنية بالكائنات الحية التي تغير شكلها لأداء وظائف مختلفة. يقوم الأخطبوط بإعادة تشكيله بشكل كبير ليتحرك ويأكل ويتفاعل مع بيئته ؛ يثني البشر العضلات لدعم الأحمال وشكل الجسم ؛ والنباتات تتحرك لالتقاط ضوء الشمس طوال اليوم. كيف يمكنك إنشاء مادة تحقق هذه الوظائف لتمكين أنواع جديدة من الروبوتات متعددة الوظائف والمتحولة؟
قال بارتليت: “عندما بدأنا المشروع ، أردنا مادة يمكنها القيام بثلاثة أشياء: تغيير الشكل ، والاحتفاظ بهذا الشكل ، ثم العودة إلى التكوين الأصلي ، والقيام بذلك على مدار عدة دورات”. “كان أحد التحديات هو إنشاء مادة ناعمة بما يكفي لتغيير الشكل بشكل كبير ، ولكنها صلبة بما يكفي لإنشاء آلات قابلة للتكيف يمكنها أداء وظائف مختلفة.”
لإنشاء هيكل يمكن تحويله ، لجأ الفريق إلى kirigami ، الفن الياباني لصنع الأشكال من الورق عن طريق القطع. (تختلف هذه الطريقة عن الأوريجامي ، الذي يستخدم الطي.) من خلال ملاحظة قوة أنماط kirigami في المطاط والمركبات ، تمكن الفريق من إنشاء بنية مادية لنمط هندسي متكرر.
احتاجوا إلى مادة من شأنها أن تحمل الشكل ولكنها تسمح بمسح هذا الشكل عند الطلب. هنا قاموا بإدخال هيكل داخلي مصنوع من سبيكة ذات نقطة انصهار منخفضة (LMPA) مدمجة داخل جلد مطاطي. عادةً ، عندما يتم شد المعدن كثيرًا ، ينثني المعدن بشكل دائم أو يتشقق أو يتمدد إلى شكل ثابت غير قابل للاستخدام. ومع ذلك ، مع هذا المعدن الخاص المدمج في المطاط ، حوّل الباحثون آلية الفشل النموذجية هذه إلى قوة. عند التمدد ، سيحتفظ هذا المركب الآن بالشكل المطلوب بسرعة ، مما يجعله مثاليًا لمواد التحوير الناعمة التي يمكن أن تصبح حاملة للحمل على الفور.
أخيرًا ، كان على المادة إعادة الهيكل إلى شكله الأصلي. هنا ، قام الفريق بدمج سخانات ناعمة تشبه المحلاق بجوار شبكة LMPA. تتسبب السخانات في تحويل المعدن إلى سائل عند درجة حرارة 60 درجة مئوية (140 درجة فهرنهايت ) ، أو 10 بالمائة من درجة حرارة انصهار الألومنيوم. يحافظ جلد المطاط الصناعي على المعدن المنصهر في مكانه وفي مكانه ، ثم يسحب المادة مرة أخرى إلى الشكل الأصلي ، ويعكس التمدد ، ويعطي المركب ما يسميه الباحثون “اللدونة القابلة للانعكاس”. بعد أن يبرد المعدن ، فإنه يساهم مرة أخرى في الحفاظ على شكل الهيكل.
“تحتوي هذه المركبات على هيكل داخلي معدني مدمج في المطاط مع سخانات ناعمة ، حيث تحدد القطع المستوحاة من kirigami مجموعة من الحزم المعدنية. قال هوانج إن هذه القطع جنبًا إلى جنب مع الخصائص الفريدة للمواد كانت مهمة حقًا للتحوير ، والتثبيت في الشكل بسرعة ، ثم العودة إلى الشكل الأصلي.
وجد الباحثون أن هذا التصميم المركب المستوحى من kirigami يمكن أن يخلق أشكالًا معقدة ، من الأسطوانات إلى الكرات إلى الشكل الوعر لقاع الفلفل. يمكن أيضًا تغيير الشكل بسرعة: بعد التصادم بالكرة ، يتغير الشكل ويثبت في مكانه في أقل من 1/10 من الثانية. أيضًا ، إذا تحطمت المادة ، يمكن أن تلتئم عدة مرات عن طريق صهر الهيكل الداخلي المعدني وإصلاحه.
