04년 2024월 XNUMX일 (나노 워크 뉴스) Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences(SEAS)의 연구원들은 조정 가능한 탄력성, 광학적 특성, 점도, 심지어 뉴턴 유체와 비뉴턴 유체 사이의 전환 능력까지 갖춘 프로그래밍 가능한 메타유체를 개발했습니다. 최초의 메타유체는 50~500 마이크론 크기의 작은 탄성 중합체 구체의 현탁액을 사용하는데, 이 구체는 압력이 가해지면 휘어져 유체의 특성을 근본적으로 변화시킵니다. 메타유체는 유압 액츄에이터부터 프로그래밍 로봇, 충격 강도에 따라 에너지를 분산시킬 수 있는 지능형 충격 흡수 장치, 투명에서 불투명으로 전환할 수 있는 광학 장치에 이르기까지 모든 분야에 사용될 수 있습니다. 이 연구는 자연 (“프로그래밍 가능한 메타유체를 위한 쉘 버클링”). SEAS의 재료 과학 및 기계 공학 연구원이자 논문의 첫 번째 저자인 Adel Djellouli는 "우리는 이 새로운 종류의 유체로 가능한 것의 표면을 긁는 것뿐입니다."라고 말했습니다. "이 하나의 플랫폼으로 다양한 분야에서 다양한 일을 할 수 있습니다."
메타물질 — 구성보다는 구조에 따라 특성이 결정되는 인공 공학 재료는 수년 동안 다양한 응용 분야에서 널리 사용되었습니다. 그러나 Federico Capasso, 응용 물리학의 Robert L. Wallace 교수, SEAS 전기 공학의 Vinton Hayes 수석 연구원의 연구실에서 개척된 금속 렌즈와 같은 대부분의 재료는 견고합니다. “고체 메타물질과 달리 메타유체는 용기의 모양에 따라 흐르고 적응하는 독특한 능력을 가지고 있습니다.”라고 SEAS의 응용 역학 교수이자 논문 수석 저자인 Katia Bertoldi가 말했습니다. "우리의 목표는 이러한 놀라운 특성을 가질 뿐만 아니라 프로그래밍 가능한 점도, 압축성 및 광학 특성을 위한 플랫폼을 제공하는 메타유체를 만드는 것이었습니다." 연구팀은 SEAS의 Mallinckrodt 물리학 및 응용물리학 교수인 David A. Weitz 연구실에서 개발된 확장성이 뛰어난 제조 기술을 사용하여 공기로 채워지고 실리콘 오일에 부유하는 수십만 개의 고도로 변형 가능한 구형 캡슐을 생산했습니다. . 액체 내부의 압력이 증가하면 캡슐이 붕괴되어 렌즈와 같은 반구가 형성됩니다. 해당 압력이 제거되면 캡슐이 구형으로 다시 나타납니다.
유체에서 압력이 제거되면 캡슐이 다시 구형으로 돌아옵니다. (이미지: Adel Djellouli, Harvard SEAS) 이러한 전환은 점도와 불투명도를 포함한 액체의 많은 특성을 변화시킵니다. 이러한 특성은 액체 내 캡슐의 수, 두께 및 크기를 변경하여 조정할 수 있습니다. 연구진은 메타유체를 유압식 로봇 그리퍼에 넣고 그리퍼가 유리병, 달걀, 블루베리를 집게 함으로써 액체의 프로그래밍 가능성을 입증했습니다. 단순한 공기나 물로 구동되는 전통적인 유압 시스템에서 로봇은 그립을 조정하고 세 가지 물체를 모두 부수지 않고 집어 올리기 위해 일종의 감지 또는 외부 제어가 필요합니다. 그러나 메타유체를 사용하면 감지가 필요하지 않습니다. 액체 자체는 다양한 압력에 반응하여 컴플라이언스를 변경하여 그리퍼의 힘을 조정하여 추가 프로그래밍 없이 무거운 병, 섬세한 계란 및 작은 블루베리를 집을 수 있습니다. Djellouli는 "우리는 이 유체를 사용하여 간단한 로봇에 지능을 부여할 수 있음을 보여주었습니다."라고 말했습니다. 또한 팀은 메타유체를 변경하여 다시 프로그래밍할 수 있는 유체 논리 게이트를 시연했습니다. 메타유체는 변화하는 압력에 노출되면 광학적 특성도 변경됩니다. 캡슐이 둥글면 빛을 산란시켜 액체를 불투명하게 만듭니다. 마치 기포가 폭기된 물을 흰색으로 보이게 만드는 것과 같습니다. 그러나 압력이 가해지고 캡슐이 붕괴되면 마이크로렌즈처럼 작용하여 빛을 집중시키고 액체를 투명하게 만듭니다. 이러한 광학적 특성은 압력에 따라 색상이 변하는 e-잉크와 같은 다양한 응용 분야에 사용될 수 있습니다. 연구자들은 또한 캡슐이 구형일 때 메타유체가 뉴턴 유체처럼 거동한다는 것을 보여주었습니다. 이는 메타유체의 점도가 온도에 따라서만 변한다는 것을 의미합니다. 그러나 캡슐이 붕괴되면 현탁액은 비뉴턴 유체로 변환됩니다. 즉, 전단력에 따라 점도가 변하게 됩니다. 전단력이 클수록 더 많은 유체가 됩니다. 이는 뉴턴 상태와 비뉴턴 상태 사이를 전환하는 것으로 나타난 최초의 메타유체입니다. 다음으로, 연구진은 메타유체의 음향 및 열역학적 특성을 탐구하는 것을 목표로 합니다. Bertoldi는 "이러한 확장 가능하고 생산하기 쉬운 메타유체의 적용 공간은 엄청납니다."라고 말했습니다.
유체에서 압력이 제거되면 캡슐이 다시 구형으로 돌아옵니다. (이미지: Adel Djellouli, Harvard SEAS) 이러한 전환은 점도와 불투명도를 포함한 액체의 많은 특성을 변화시킵니다. 이러한 특성은 액체 내 캡슐의 수, 두께 및 크기를 변경하여 조정할 수 있습니다. 연구진은 메타유체를 유압식 로봇 그리퍼에 넣고 그리퍼가 유리병, 달걀, 블루베리를 집게 함으로써 액체의 프로그래밍 가능성을 입증했습니다. 단순한 공기나 물로 구동되는 전통적인 유압 시스템에서 로봇은 그립을 조정하고 세 가지 물체를 모두 부수지 않고 집어 올리기 위해 일종의 감지 또는 외부 제어가 필요합니다. 그러나 메타유체를 사용하면 감지가 필요하지 않습니다. 액체 자체는 다양한 압력에 반응하여 컴플라이언스를 변경하여 그리퍼의 힘을 조정하여 추가 프로그래밍 없이 무거운 병, 섬세한 계란 및 작은 블루베리를 집을 수 있습니다. Djellouli는 "우리는 이 유체를 사용하여 간단한 로봇에 지능을 부여할 수 있음을 보여주었습니다."라고 말했습니다. 또한 팀은 메타유체를 변경하여 다시 프로그래밍할 수 있는 유체 논리 게이트를 시연했습니다. 메타유체는 변화하는 압력에 노출되면 광학적 특성도 변경됩니다. 캡슐이 둥글면 빛을 산란시켜 액체를 불투명하게 만듭니다. 마치 기포가 폭기된 물을 흰색으로 보이게 만드는 것과 같습니다. 그러나 압력이 가해지고 캡슐이 붕괴되면 마이크로렌즈처럼 작용하여 빛을 집중시키고 액체를 투명하게 만듭니다. 이러한 광학적 특성은 압력에 따라 색상이 변하는 e-잉크와 같은 다양한 응용 분야에 사용될 수 있습니다. 연구자들은 또한 캡슐이 구형일 때 메타유체가 뉴턴 유체처럼 거동한다는 것을 보여주었습니다. 이는 메타유체의 점도가 온도에 따라서만 변한다는 것을 의미합니다. 그러나 캡슐이 붕괴되면 현탁액은 비뉴턴 유체로 변환됩니다. 즉, 전단력에 따라 점도가 변하게 됩니다. 전단력이 클수록 더 많은 유체가 됩니다. 이는 뉴턴 상태와 비뉴턴 상태 사이를 전환하는 것으로 나타난 최초의 메타유체입니다. 다음으로, 연구진은 메타유체의 음향 및 열역학적 특성을 탐구하는 것을 목표로 합니다. Bertoldi는 "이러한 확장 가능하고 생산하기 쉬운 메타유체의 적용 공간은 엄청납니다."라고 말했습니다.
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- 출처: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/newsid=64964.php
