Los científicos han desarrollado un metafluido con respuesta programable.

Los científicos de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) John A. Paulson de Harvard han desarrollado un metafluido programable con elasticidad, propiedades ópticas, viscosidad e incluso la capacidad de realizar la transición entre un fluido newtoniano y no newtoniano.

El primer metafluido de este tipo utiliza una suspensión de pequeñas esferas de elastómero -entre 50 y 500 micras- que se deforman bajo presión, cambiando radicalmente las características del fluido. El metafluido podría usarse en todo, desde actuadores hidráulicos hasta robots programados, pasando por amortiguadores inteligentes que pueden disipar energía en función de la intensidad del impacto y dispositivos ópticos que pueden cambiar de transparente a oscuro y opaco.

La investigación se publica en Naturaleza.

«Sólo estamos arañando la superficie de lo que es posible con esta nueva clase de fluido», dijo Adel Djellouli, investigador asociado en ciencia de materiales e ingeniería mecánica en SEAS y primer autor del artículo. “Con esta plataforma, puedes hacer muchas cosas diferentes en tantas áreas diferentes. »

Metafluidos vs metamateriales sólidos

Los metamateriales (materiales fabricados artificialmente cuyas propiedades están determinadas por su estructura más que por su composición) se han utilizado ampliamente durante años en una variedad de aplicaciones. Pero la mayoría de los materiales, como las lentes metálicas desarrolladas en el laboratorio de Federico Capasso, profesor de Física Aplicada Robert L. Wallace e investigador principal de Ingeniería Eléctrica de Vinton Hayes en SEAS, son fuertes.

Óptica sintonizable con el logotipo de Harvard mostrado debajo del metafluido. Crédito: MARES de Harvard

“A diferencia de los sólidos metamateriales«Los metafluidos tienen la capacidad única de fluir y adaptarse a la forma de su contenedor», dijo Katia Bertoldi, profesora de Mecánica Aplicada William y Ami Kuan Danoff en SEAS y autora principal del artículo. «Nuestro objetivo era crear un metafluido que no solo posea estos notables atributos, sino que también proporcione una plataforma para viscosidad, compresibilidad y propiedades ópticas programables».

Utilizando una técnica de fabricación altamente escalable desarrollada en el laboratorio de David A. Weitz, profesor Mallinckrodt de Física y Física Aplicada en SEAS, el equipo de investigación produjo cientos de miles de estas cápsulas esféricas altamente deformables llenas de aire y las suspendieron en aceite de silicona. . Cuando aumenta la presión dentro del líquido, las cápsulas colapsan, formando una media esfera en forma de lente. Cuando se elimina esta presión, las cápsulas vuelven a su forma esférica.

Propiedades y aplicaciones del metafluido.

Esta transición modifica muchas propiedades del líquido, incluidas su viscosidad y opacidad. Estas propiedades se pueden ajustar cambiando la cantidad, el grosor y el tamaño de las cápsulas en el líquido.

Los investigadores demostraron la programabilidad del líquido cargando el metafluido en una pinza robótica hidráulica y haciendo que la pinza recogiera una botella de vidrio, un huevo y un arándano. En un sistema hidráulico tradicional impulsado simplemente por aire o agua, el robot necesitaría algún tipo de detección o control externo para poder ajustar su agarre y recoger los tres objetos sin aplastarlos.

Pero con el metafluido no es necesaria la detección. El líquido en sí responde a diferentes presiones, cambiando su flexibilidad para ajustar la fuerza de la pinza para que pueda agarrar una botella pesada, un huevo delicado y un arándano pequeño, sin programación adicional.

«Demostramos que podemos utilizar este fluido para dotar de inteligencia a un robot simple», dijo Djellouli.

El equipo también demostró una puerta lógica fluídica que se puede reprogramar cambiando el metafluido.

Propiedades ópticas y estados fluidos.

El metafluido también cambia sus propiedades ópticas cuando se expone a presiones cambiantes.

Cuando las cápsulas son redondas, difunden la luz, haciendo que el líquido se vuelva opaco, de la misma manera que las burbujas de aire hacen que el agua gaseosa parezca blanca. Pero cuando se aplica presión y las cápsulas colapsan, actúan como microlentes, enfocando la luz y haciendo que el líquido sea transparente. Estas propiedades ópticas podrían usarse para diversas aplicaciones, como tintas electrónicas que cambian de color según la presión.

Los investigadores también demostraron que cuando las cápsulas son esféricas, el metafluido se comporta como un fluido newtoniano, es decir, su viscosidad sólo cambia en respuesta a la temperatura. Sin embargo, cuando las cápsulas colapsan, la suspensión se transforma en un fluido no newtoniano, lo que significa que su viscosidad cambiará en respuesta a la fuerza de corte: cuanto mayor es la fuerza de corte, más fluido se vuelve. Es el primer metafluido que se muestra en transición entre estados newtonianos y no newtonianos.

Luego, los investigadores pretenden explorar las propiedades acústicas y termodinámicas del metafluido.

«El espacio de aplicación para estos metafluidos escalables y fáciles de producir es enorme», dijo Bertoldi.

Referencia: “Chall pandeo para metafluidos programables” por Adel Djellouli, Bert Van Raemdonck, Yang Wang, Yi Yang, Anthony Caillaud, David Weitz, Shmuel Rubinstein, Benjamin Gorissen y Katia Bertoldi, 3 de abril de 2024, Naturaleza.
DOI: 10.1038/s41586-024-07163-z

La Oficina de Desarrollo Tecnológico de Harvard ha protegido la propiedad intelectual asociada con esta investigación y está explorando oportunidades de comercialización.

La investigación fue financiada en parte por la NSF a través de la subvención número DMR-2011754 del Centro de Ingeniería y Ciencia de Investigación de Materiales de la Universidad de Harvard.