As armadilhas de Vênus fazem isso, formigas mandíbulas fazem isso, e agora os cientistas de materiais da Universidade de Massachusetts Amherst podem fazer isso, também, eles descobriram uma maneira de converter com eficiência a energia elástica em uma mola em energia cinética para alta aceleração, movimentos de extrema velocidade como a natureza faz.

Na física dos sistemas feitos pelo homem e muitos sistemas naturais, converter energia de uma forma para outra geralmente significa perder muito dessa energia, dizem o primeiro autor Xudong Liang e o pesquisador sênior Alfred Crosby. “Sempre há um custo alto, e a maior parte da energia em uma conversão é perdida, "Crosby diz." Mas descobrimos pelo menos um mecanismo que ajuda significativamente. " Cartas de revisão física.

Usando imagens de alta velocidade, Liang e Crosby mediram em detalhes o recuo, ou estalando, movimento de faixas elásticas que podem atingir acelerações e velocidades semelhantes a muitos dos sistemas biológicos naturais que os inspiraram. Experimentando diferentes conformações de elástico, eles descobriram um mecanismo para imitar o movimento rápido de formigas e armadilhas, eventos de impulso de alta potência com perda mínima de energia.

Liang, que agora faz parte do corpo docente da Binghamton University, e Crosby fazem parte de um grupo que inclui roboticistas e biólogos liderados pela ex-especialista da UMass Amherst Sheila Patek, agora na Duke University. Durante anos, ela estudou o movimento extremamente rápido de estalar os apêndices raptorial do camarão mantis. Sua equipe multi-institucional é apoiada por uma doação da Iniciativa de Pesquisa Universitária Multidisciplinar do Exército dos EUA (MURI) financiada pelo Laboratório de Pesquisa do Exército dos EUA e seu Escritório de Pesquisa.

Nas observações e experiências de Liang, ele descobriu as condições subjacentes onde a energia é mais conservada - além da física fundamental - e apresenta o que Crosby chama de "algumas teorias e equações realmente bonitas" para apoiar suas conclusões. "Nossa pesquisa revela que as estruturas geométricas internas dentro de uma mola desempenham um papel centralmente importante no aprimoramento do processo de conversão de energia para movimentos de alta potência, "Notas de Crosby.

O segredo acabou por ser adicionar orifícios elípticos, não circulares, estrategicamente colocados na faixa elástica, Liang diz. "Manter a eficiência não é intuitivo, é muito difícil adivinhar como fazê-lo antes de experimentá-lo. Mas você pode começar a formar uma teoria depois de ver como o experimento ocorre ao longo do tempo. Você pode começar a pensar sobre como funciona. "

Ele diminuiu a velocidade para observar o movimento de encaixe em um polímero sintético que atua como um elástico.

Liang descobriu que o segredo estrutural está em projetar um padrão de orifícios. "Sem buracos, tudo se estende, "ele observa." Mas com buracos, algumas áreas do material irão virar e desmoronar. "Quando faixas planas são esticadas e recuadas, menos de 70% da energia armazenada é aproveitada para movimentos de alta potência, o resto está perdido.

Por contraste, adicionar poros transforma as bandas em metamateriais mecânicos que criam movimento por meio de rotação, Liang explica. Ele e Crosby demonstram que com meta-materiais, mais de 90% da energia armazenada é usada para impulsionar o movimento. "Na física, a dobra realiza o mesmo movimento com menos energia, então, quando você manipula o padrão dos poros, pode projetar a banda para dobrar internamente; torna-se de alta eficiência, "Crosby acrescenta.

"Isso mostra que podemos usar a estrutura para alterar as propriedades dos materiais. Outros sabiam que essa era uma abordagem interessante, mas nós avançamos, especialmente para movimento de alta velocidade e a conversão de energia elástica em energia cinética, ou movimento. "

Os dois esperam que este avanço ajude os roboticistas em sua equipe MURI e outros com uma meta de desempenho para ajudá-los a projetar alta eficiência, sistemas robóticos cinéticos rápidos.

Liang disse, "Agora podemos entregar algumas dessas estruturas e dizer, 'Veja como projetar uma mola para seus robôs.' Achamos que a nova teoria abre muitas novas ideias e questões sobre como olhar para a biologia, como os tecidos são estruturados ou suas cascas são configuradas para permitir a rotação que mostramos é a chave, " ele adiciona.