Venus atrapamoscas lo hace, las hormigas de mandíbula trampa lo hacen, y ahora los científicos de materiales de la Universidad de Massachusetts Amherst pueden hacerlo, también:descubrieron una forma de convertir eficientemente la energía elástica en un resorte en energía cinética para una alta aceleración, movimientos de extrema velocidad como lo hace la naturaleza.

En la física de muchos sistemas naturales creados por el hombre, convertir energía de una forma a otra generalmente significa perder mucha de esa energía, dicen el primer autor Xudong Liang y el investigador principal Alfred Crosby. "Siempre hay un alto costo, y la mayor parte de la energía en una conversión se pierde, "Dice Crosby." Pero hemos descubierto al menos un mecanismo que ayuda significativamente ". Los detalles están en Cartas de revisión física.

Usando imágenes de alta velocidad, Liang y Crosby midieron con gran detalle el retroceso, o chasqueando, movimiento de bandas elásticas que pueden alcanzar aceleraciones y velocidades similares a muchos de los sistemas biológicos naturales que las inspiraron. Experimentando con diferentes conformaciones de bandas elásticas, Descubrieron un mecanismo para imitar el movimiento rápido de hormigas y atrapamoscas, Eventos de impulso de alta potencia con mínima pérdida de energía.

Liang, que ahora forma parte de la facultad de la Universidad de Binghamton, y Crosby son parte de un grupo que incluye a especialistas en robótica y biólogos liderados por la ex experta de UMass Amherst Sheila Patek, ahora en la Universidad de Duke. Ella ha estudiado el movimiento extremadamente rápido de apéndice raptorial del camarón mantis durante años. Su equipo de instituciones múltiples cuenta con el apoyo de una subvención de la Iniciativa de Investigación Universitaria Multidisciplinaria del Ejército de los EE. UU. (MURI) financiada por el Laboratorio de Investigación del Ejército de los EE. UU. Y su Oficina de Investigación.

En las observaciones y experimentos de Liang, descubrió las condiciones subyacentes donde la energía se conserva más, además de la física fundamental, y presenta lo que Crosby llama "algunas teorías y ecuaciones realmente hermosas" para respaldar sus conclusiones. "Nuestra investigación revela que las estructuras geométricas internas dentro de un resorte desempeñan un papel de importancia central en la mejora del proceso de conversión de energía para movimientos de alta potencia, "Crosby observa.

El secreto resultó ser agregar agujeros elípticos, no circulares, estratégicamente ubicados a la banda elástica, Dice Liang. "Mantener la eficiencia no es intuitivo, es muy difícil adivinar cómo hacerlo antes de experimentar con él. Pero puede comenzar a formar una teoría una vez que vea cómo avanza el experimento con el tiempo. Puede empezar a pensar en cómo funciona ".

Redujo la velocidad de la acción para observar el movimiento de chasquido en un polímero sintético que actúa como una goma elástica.

Liang descubrió que el secreto estructural está en diseñar un patrón de agujeros. "Sin agujeros, todo se estira, ", señala." Pero con agujeros, algunas áreas del material girarán y colapsarán. "Cuando las bandas lisas se estiran y retroceden, menos del 70% de la energía almacenada se aprovecha para movimientos de alta potencia, el resto está perdido.

Por el contrario, agregar poros transforma las bandas en metamateriales mecánicos que crean movimiento a través de la rotación, Liang explica. Él y Crosby demuestran que con metamateriales, más del 90% de la energía almacenada se utiliza para impulsar el movimiento. "En física, la flexión logra el mismo movimiento con menos energía, así que cuando manipulas el patrón de los poros puedes diseñar la banda para que se doble internamente; se vuelve de alta eficiencia, "Agrega Crosby.

"Esto muestra que podemos usar la estructura para cambiar las propiedades de los materiales. Otros sabían que este era un enfoque interesante, pero lo hicimos avanzar, especialmente para movimientos de alta velocidad y la conversión de energía elástica en energía cinética, o movimiento ".

Los dos esperan que este avance ayude a los roboticistas de su equipo MURI y a otros con un objetivo de rendimiento que les ayude a diseñar de alta eficiencia. sistemas robóticos cinéticos rápidos.

Liang dice:"Ahora podemos entregar algunas de estas estructuras y decir:"Aquí se explica cómo diseñar un resorte para sus robots". Creemos que la nueva teoría abre muchas ideas y preguntas nuevas sobre cómo mirar la biología, cómo se estructuran los tejidos o se configuran sus conchas para permitir la rotación que mostramos es la clave, " él añade.