Líquido inteligente:pesquisadores desenvolvem metafluido com resposta programável
Crédito:Domínio Público CC0 Pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas (SEAS) de Harvard John A. Paulson desenvolveram um metafluido programável com elasticidade ajustável, propriedades ópticas, viscosidade e até mesmo a capacidade de transição entre um fluido newtoniano e não newtoniano. O metafluido inédito usa uma suspensão de pequenas esferas de elastômero – entre 50 e 500 mícrons – que se curvam sob pressão, mudando radicalmente as características do fluido. O metafluido pode ser usado em tudo, desde atuadores hidráulicos para programar robôs, até amortecedores inteligentes que podem dissipar energia dependendo da intensidade do impacto, até dispositivos ópticos que podem fazer a transição de transparente para opaco.
A pesquisa foi publicada na Nature .
“Estamos apenas arranhando a superfície do que é possível com esta nova classe de fluido”, disse Adel Djellouli, pesquisador associado em Ciência de Materiais e Engenharia Mecânica no SEAS e primeiro autor do artigo. "Com esta plataforma, você poderia fazer muitas coisas diferentes em muitos campos diferentes." Ótica ajustável com logotipo de Harvard exibido abaixo do metafluido. Crédito:Harvard SEAS Os metamateriais – materiais artificialmente projetados cujas propriedades são determinadas pela sua estrutura e não pela composição – têm sido amplamente utilizados em diversas aplicações há anos. Mas a maioria dos materiais - como os metalenses pioneiros no laboratório de Federico Capasso, Robert L. Wallace Professor de Física Aplicada e Vinton Hayes Pesquisador Sênior em Engenharia Elétrica no SEAS - são sólidos.
"Ao contrário dos metamateriais sólidos, os metafluidos têm a capacidade única de fluir e se adaptar ao formato do seu recipiente, "disse Katia Bertoldi, William e Ami Kuan Danoff Professora de Mecânica Aplicada no SEAS e autora sênior do artigo. "Nosso objetivo era criar um metafluido que não apenas possuísse esses atributos notáveis, mas também fornecesse uma plataforma para viscosidade, compressibilidade e propriedades ópticas programáveis."
Usando uma técnica de fabricação altamente escalável desenvolvida no laboratório de David A. Weitz, Professor Mallinckrodt de Física e de Física Aplicada no SEAS, a equipe de pesquisa produziu centenas de milhares dessas cápsulas esféricas altamente deformáveis cheias de ar e as suspendeu em óleo de silício. . Quando a pressão dentro do líquido aumenta, as cápsulas colapsam, formando uma meia esfera semelhante a uma lente. Quando essa pressão é removida, as cápsulas voltam à sua forma esférica.
Essa transição altera muitas das propriedades do líquido, incluindo a sua viscosidade e opacidade. Essas propriedades podem ser ajustadas alterando o número, a espessura e o tamanho das cápsulas no líquido.
Os pesquisadores demonstraram a programabilidade do líquido carregando o metafluido em uma pinça robótica hidráulica e fazendo com que a pinça pegasse uma garrafa de vidro, um ovo e um mirtilo. Em um sistema hidráulico tradicional alimentado por ar ou água simples, o robô precisaria de algum tipo de sensoriamento ou controle externo para poder ajustar sua aderência e pegar todos os três objetos sem esmagá-los.
Mas com o metafluido, nenhuma detecção é necessária. O próprio líquido responde a diferentes pressões, alterando a sua complacência para ajustar a força da pinça para poder pegar uma garrafa pesada, um ovo delicado e um pequeno mirtilo, sem programação adicional.
“Mostramos que podemos usar este fluido para dotar inteligência a um robô simples”, disse Djellouli.
A equipe também demonstrou uma porta lógica fluídica que pode ser reprogramada alterando o metafluido.
O metafluido também altera suas propriedades ópticas quando exposto a mudanças de pressão.
Quando as cápsulas são redondas, elas espalham a luz, tornando o líquido opaco, assim como as bolhas de ar fazem a água gaseificada parecer branca. Mas quando a pressão é aplicada e as cápsulas entram em colapso, elas agem como microlentes, focando a luz e tornando o líquido transparente. Essas propriedades ópticas podem ser usadas para uma variedade de aplicações, como tintas eletrônicas que mudam de cor com base na pressão.
Os investigadores também mostraram que quando as cápsulas são esféricas, o metafluido se comporta como um fluido newtoniano, o que significa que a sua viscosidade só muda em resposta à temperatura. No entanto, quando as cápsulas são colapsadas, a suspensão transforma-se num fluido não newtoniano, o que significa que a sua viscosidade mudará em resposta à força de cisalhamento – quanto maior a força de cisalhamento, mais fluida ela se torna. Este é o primeiro metafluido que demonstrou fazer a transição entre estados newtonianos e não newtonianos.
A seguir, os pesquisadores pretendem explorar as propriedades acústicas e termodinâmicas do metafluido.
“O espaço de aplicação para esses metafluidos escalonáveis e fáceis de produzir é enorme”, disse Bertoldi.
O Escritório de Desenvolvimento Tecnológico de Harvard protegeu a propriedade intelectual associada a esta pesquisa e está explorando oportunidades de comercialização.
