Karada gidebilen, durabilen ve kendisini bir quadcopter’a çevirebilen küçük bir otonom araç hayal edin. Rotorlar dönmeye başlar ve araç uçup gider. Daha yakından baktığınızda, ne göreceğinizi düşünüyorsunuz? Bir kara aracından uçan bir quadcopter’a dönüşmesine hangi mekanizmalar neden oldu? Dişlileri ve kayışları, belki de tüm parçalarını yerlerine çeken bir dizi küçük servo motor hayal edebilirsiniz.
Bu mekanizma, makine mühendisliğinde yardımcı doçent olan Michael Bartlett liderliğindeki Virginia Tech’deki bir ekip tarafından tasarlandıysa, malzeme düzeyinde şekil değiştirme için yeni bir yaklaşım göreceksiniz. Bu araştırmacılar, malzemeleri motor veya kasnak olmadan yerlerine sabitlemek için kauçuk, metal ve sıcaklık kullanır. Ekibin çalışması Science Robotics’te yayınlandı . Makalenin ortak yazarları arasında yüksek lisans öğrencileri Dohgyu Hwang ve Edward J. Barron III ve doktora sonrası araştırmacı ABM Tahidul Haque yer alıyor.
Doğa, farklı işlevleri yerine getirmek için şekil değiştiren organizmalar açısından zengindir. Ahtapot, hareket etmek, yemek yemek ve çevresiyle etkileşim kurmak için çarpıcı biçimde yeniden şekillenir; insanlar yükleri desteklemek ve şekli tutmak için kasları esnetir; ve bitkiler gün boyunca güneş ışığını yakalamak için hareket eder. Yeni çok işlevli, dönüşen robot türlerini etkinleştirmek için bu işlevleri gerçekleştiren bir malzemeyi nasıl yaratırsınız?
Bartlett, “Projeye başladığımızda, üç şeyi yapabilen bir malzeme istedik: şekli değiştir, o şekli tut ve sonra orijinal konfigürasyona geri dön ve bunu birçok döngüde yap.” “Zorluklardan biri, şekli önemli ölçüde değiştirecek kadar yumuşak, ancak farklı işlevleri yerine getirebilen uyarlanabilir makineler yaratacak kadar sert bir malzeme yaratmaktı.”
Ekip, dönüştürülebilen bir yapı oluşturmak için Japonların kağıttan keserek şekiller oluşturma sanatı olan kirigami’ye yöneldi. (Bu yöntem, katlamayı kullanan origamiden farklıdır.) Ekip, kauçuk ve kompozitlerdeki bu kirigami desenlerinin gücünü gözlemleyerek, tekrar eden bir geometrik desenin malzeme mimarisini oluşturmayı başardı.
Daha sonra, şekli tutacak, ancak istendiğinde bu şeklin silinmesine izin verecek bir malzemeye ihtiyaçları vardı. Burada , kauçuk bir deri içine gömülü düşük erime noktalı bir alaşımdan (LMPA) yapılmış bir iç iskelet tanıttılar. Normalde, bir metal çok fazla gerildiğinde, metal kalıcı olarak bükülür, çatlar veya sabit, kullanılamaz bir şekle gerilir. Ancak, kauçuğa gömülü bu özel metal ile araştırmacılar, bu tipik arıza mekanizmasını bir güce dönüştürdüler. Gerildiğinde, bu kompozit artık istenen bir şekli hızla tutabilir ve anında yük taşıyabilen yumuşak biçim değiştiren malzemeler için mükemmeldir.
Son olarak, malzemenin yapıyı orijinal şekline geri döndürmesi gerekiyordu. Burada ekip, LMPA ağının yanına yumuşak, dal benzeri ısıtıcılar yerleştirdi. Isıtıcılar, metalin 60 santigrat derece (140 derece Fahrenhayt ) veya alüminyumun erime sıcaklığının yüzde 10’unda sıvıya dönüştürülmesine neden olur . Elastomer kaplama, erimiş metali içerdiği ve yerinde tutar ve daha sonra malzemeyi orijinal şekline geri çekerek esnemeyi tersine çevirir ve kompozite araştırmacıların “tersine çevrilebilir plastisite” dediği şeyi verir. Metal soğuduktan sonra tekrar yapının şeklini korumaya katkıda bulunur.
“Bu kompozitler, kirigamiden ilham alan kesimlerin bir dizi metal kirişi tanımladığı, yumuşak ısıtıcılara sahip bir kauçuğa gömülü metal bir iç iskelete sahip. Malzemelerin benzersiz özellikleriyle birleştirilen bu kesimler, şekil vermek, hızla şekle sabitlemek ve ardından orijinal şekle geri dönmek için gerçekten önemliydi,” dedi Hwang.
Araştırmacılar, kirigamiden ilham alan bu kompozit tasarımın, silindirlerden toplara ve bir biberin dibinin inişli çıkışlı şekline kadar karmaşık şekiller oluşturabileceğini buldu. Şekil değişikliği de hızlı bir şekilde gerçekleştirilebilir: Bir topla vurulduktan sonra şekil, saniyenin 1/10’undan daha kısa bir sürede değişti ve yerine sabitlendi. Ayrıca, malzeme kırılırsa, metal iç iskeleti eritip yeniden şekillendirerek birçok kez iyileştirilebilirdi.
Kara ve hava için bir drone, deniz için bir drone
Bu teknolojinin uygulamaları yeni yeni ortaya çıkmaya başlıyor. Ekip, bu malzemeyi yerleşik güç, kontrol ve motorlarla birleştirerek, karadan hava aracına otonom olarak dönüşen işlevsel bir drone yarattı. Ekip ayrıca, denizaltının göbeğini dip boyunca kazıyarak bir akvaryumdan nesneleri almak için malzemenin biçim değiştirmesini ve geri dönüşünü kullanarak küçük, konuşlandırılabilir bir denizaltı yarattı.
“Bu malzemenin çok işlevli robotlar için sunduğu fırsatlardan heyecan duyuyoruz. Bu kompozitler, motorlardan veya tahrik sistemlerinden gelen kuvvetlere dayanacak kadar güçlüdür, ancak makinelerin çevrelerine uyum sağlamasına izin veren morfları kolayca şekillendirebilir” dedi.
İleriye dönük olarak, araştırmacılar, farklı işlevleri yerine getirebilen, hasar gördükten sonra kendi kendini iyileştirebilen, dayanıklılığı artırmak ve insan-makine arayüzlerinde ve giyilebilir cihazlarda farklı fikirleri teşvik eden makineler oluşturmak için gelişmekte olan yumuşak robotik alanında rol oynayan geçişli kompozitleri öngörüyorlar. .