يمكن للمواد الجديدة الشبيهة بالجندب أن تقفز 200 مرة من سمكها
ابتكر المهندسون في جامعة كولورادو بولدر فيلمًا جديدًا يشبه المطاط يمكنه القفز عالياً في الهواء بشكل مستقل، محاكياً حركة الجندب، دون أي مساعدة خارجية. فقط قم بتسخينه وشاهده يقفز!
وثق الباحثون إنجازهم في ورقة بحثية نُشرت مؤخرًا في مجلة Science Advances . ويتوقعون أن المواد المماثلة يمكن أن تساعد يومًا ما في تجسيد “الروبوتات اللينة” (تلك التي لا تحتاج إلى تروس أو مكونات صلبة أخرى لتحريكها) للقفز أو الرفع.
قال تيموثي وايت، مؤلف مشارك في الدراسة، إن مركب المادة يستجيب إلى حد ما مثل كيفية قفز الجنادب من خلال تخزين وإطلاق الطاقة في أرجلهم.
قال وايت، أستاذ جالوجلي للهندسة الكيميائية والبيولوجية في CU Boulder: “في الطبيعة، تستخدم الكثير من عمليات التكيف مثل ساق الجندب الطاقة المخزنة، مثل عدم الاستقرار المرن”. “نحن نحاول إنشاء مواد اصطناعية تحاكي تلك الخصائص الطبيعية.”
يستفيد البحث الجديد من السلوك غير المعتاد لفئة من المواد تسمى اللدائن الكريستالية السائلة. هذه المواد عبارة عن نسخ بوليمر صلبة وقابلة للتمدد من البلورات السائلة الموجودة في أجهزة الكمبيوتر المحمولة أو شاشات التلفزيون.
فيديو يظهر المادة وهي تقفز. الائتمان: جامعة كولورادو في بولدر
في الدراسة، صنع الفريق رقائق صغيرة من اللدائن الكريستالية السائلة حول حجم العدسة اللاصقة، ثم وضعوها على طبق ساخن. مع تسخين هذه الأفلام، بدأت في الالتواء، وتشكل مخروطًا يرتفع حتى فجأة وبشكل متفجر، انقلب من الداخل إلى الخارج – مما أدى إلى إطلاق المادة إلى ارتفاع يقارب 200 ضعف سمكها في 6 مللي ثانية فقط.
قالت مؤلفة الدراسة الرئيسية تايلر هيبنر التي حصلت على درجة الدكتوراه في الهندسة الكيميائية والبيولوجية: “يقدم هذا فرصًا لاستخدام مواد البوليمر بطرق جديدة لتطبيقات مثل الروبوتات اللينة حيث نحتاج غالبًا إلى الوصول إلى آليات التشغيل عالية السرعة وعالية القوة”. في CU Boulder في عام 2022.
اكتشاف صدفة
اكتشفت هيبنر ، وهي الآن باحثة ما بعد الدكتوراه في جامعة أوريغون، وزملاؤها سلوك القفز هذا عن طريق الصدفة تقريبًا.
كانت تجرب تصميم أنواع مختلفة من اللدائن الكريستالية السائلة لترى كيف تغير شكلها في ظل درجات الحرارة المتغيرة. انضم إليها جوزيل مكراكين ، باحث مشارك كبير في مختبر وايت، للمراقبة.
“كنا نشاهد فقط اللدائن الكريستالية السائلة موضوعة على الصفيحة الساخنة ونتساءل لماذا لم يكن يصنع الشكل الذي توقعناه. قال هيبنر: “لقد قفزت فجأة من مرحلة الاختبار مباشرة على سطح العمل”. “كلانا نظر إلى بعضنا البعض بشكل مرتبك ولكن متحمس أيضًا.”
من خلال التجريب الدقيق والمساعدة من المتعاونين في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، اكتشف الفريق ما الذي يجعل موادهم تقوم بالقفزة العالية.
أوضح وايت أن كل من هذه الأفلام يتكون من ثلاث طبقات من المطاط الصناعي. قال إن هذه الطبقات تتقلص عندما تصبح ساخنة، لكن الطبقتين العلويتين تتقلصان بشكل أسرع من الطبقة السفلية. يؤدي هذا التناقض، جنبًا إلى جنب مع اتجاه جزيئات الكريستال السائل داخل الطبقات، إلى تقلص الفيلم وتشكيل شكل مخروطي. إنه يشبه إلى حد ما كيف يمكن أن تلتف حواف الفينيل المطلية في أشعة الشمس.
عندما يتشكل المخروط، يتراكم الضغط في الفيلم حتى ينفجر مرة واحدة! ينقلب المخروط، ويضرب السطح ويطرق المادة. يمكن أيضًا أن يقفز الفيلم نفسه عدة مرات دون أن ينفد.
قال وايت: “عندما يحدث هذا الانقلاب، تنفجر المادة، تمامًا مثل لعبة بوبر للأطفال، تقفز من على السطح”.
قفزات إلى الأمام
على عكس تلك البوبرات ، فإن اللدائن الكريستالية السائلة للفريق متعددة الاستخدامات. يمكن للباحثين تعديل أفلامهم بحيث يقفزون عندما يصابون بالبرد، على سبيل المثال، ليس حارًا. يمكنهم أيضًا إعطاء أرجل الأفلام لجعلها تقفز في اتجاه معين.
ربما لن تتمكن معظم الروبوتات من استخدام هذا النوع من تأثير الفرقعة لتحريك أجزائها. لكن وايت قال إن المشروع يُظهر أنواع المواد المماثلة التي يمكن أن تكون قادرة على تخزين كمية هائلة من الطاقة المرنة، ثم إطلاقها دفعة واحدة. وقال هيبنر إن المشروع جلب بعض المرح للمختبر.
وقالت: “إنه مثال قوي لكيفية تحويل المفاهيم الأساسية التي ندرسها إلى تصميمات تؤدي بطرق معقدة ومدهشة”.
المصدر: scitechdaily
قد يهمك:
