A liquid metal lattice that can be crushed but returns to its original shape on heating has been developed by Pu Zhang and colleagues at Binghamton University in the US. The material is held together by a silicone shell and could find myriad uses including soft robotics, foldable antennas and aerospace engineering. Indeed, the research could even lead to the creation of a liquid metal robot evoking the T-1000 character in the film Terminator 2.
The team created the liquid metal lattice using a special mixture of bismuth, indium and tin known as Field’s alloy. This alloy has the relatively unusual property of melting at just 62 °C, which means it can be liquefied with just hot water. Field’s alloy already has several applications – including as a liquid-metal coolant for advanced nuclear reactors.
Zhang and colleagues combined the alloy with a silicone shell through a complex hybrid manufacturing process that combines 3D printing, vacuum casting and so-called “conformal coating” – a technique normally used to coat circuit boards in a thin polymer layer to protect them against the environment. The silicone shell is what allows the lattice to “remember” a desired shape and restore such when the alloy is melted.
Shell skeleton
“Without the shell, it won’t work, because the liquid metal will flow away,” Zhang said. “The shell skeleton controls the overall shape and integrity, so the liquid metal itself can be confined in the channels.”
To illustrate the potential of the lattice technology, Zhang and colleagues made several demonstration structures – including honeycombs, the letters BUME (for Binghamton University mechanical engineering), a spider web-like mesh and a lattice in the shape of a human hand. When crushed and reheated, all eerily return to their original shape.
When solid, Field’s alloy is very strong and stable and is far stiffer than most shape-memory polymers, according to Zhang. A crucial benefit of the new material is that an object can easily be crushed down into a much smaller spaces for transport or storage before being restored to its usual shape. The researchers think this would make the material ideal for use in space missions, where it could be used to make antennas or building superstructures that could packed tightly on spacecraft ship and then expanded on arrival on the Moon or another planet.
Space cushions
The material could also be used to make cushions because it can absorb a considerable amount of energy when crushed. Zhang suggests that this could be useful for building reusable spacecraft. “Normally, engineers use aluminium or steel to produce cushion structures,” he says. “After you land on the Moon, the metal absorbs the energy and deforms. It’s over – you can use it only once.”
In contrast, a spacecraft with landing cushions built using a liquid metal lattice could be reused over and over again. “Using this Field’s alloy, you can crash into it like other metals, but then heat it up later to recover its shape,” Zhang said.
“There’s been growing interest in machines and structures that can change their shape, stiffness, and ability to bear load. These architectures have potential use in emerging applications like soft robots that mimic biological organisms, wearable computing systems that can conform to the body’s natural motion, or wearable robotics that can assist in human motor tasks,” says Carmel Majidi, a mechanical engineer from the Carnegie Mellon University. “[This work] nicely builds on past research in stiffness tuning and shape memory materials,” he says, adding it. “is an excellent demonstration of how low melting point metals can be used for creating smart and adaptive structures”.
Enormous changes
Michael Dickey —a chemical engineer at North Carolina State University agrees, adding, “This work nicely takes advantage of the capabilities of 3D printing, the elastic energy of elastomers, and the enormous changes in modulus that occur when low melting point metal alloys melt”.With their initial study complete, the researchers are now working to improve the durability, strength and energy absorption capacity of their liquid metal lattice materials – alongside scaling up and refining the manufacturing process for such.
Zhang also has another goal in mind. “Our dream is to build a liquid metal robot,” he said. “Now we have a hand, so we’re one step further.
Pu Zhang și colegii de la Universitatea Binghamton din SUA au dezvoltat o grilă metalică lichidă care poate fi deformată, dar care revine la forma sa originală la încălzire. Materialul este împachetat în silicon și ar putea găsi utilizări numeroase, inclusiv robotică, antene pliabile și inginerie aerospațială. Într-adevăr, cercetarea ar putea duce chiar la crearea unui robot metalic lichid care evocă personajul T-1000 din filmul Terminator 2.
Echipa a creat rețeaua metalică lichidă folosind un amestec special de bismut, indiu și staniu cunoscut sub numele de aliaj Field. Acest aliaj are proprietatea relativ neobișnuită de topire la doar 62 ° C, ceea ce înseamnă că poate fi lichefiat doar cu apă caldă. Aliajul Field are deja mai multe aplicații – inclusiv ca lichid de răcire metal-lichid pentru reactoarele nucleare avansate.
Zhang și colegii au combinat aliajul cu o carcasă de silicon printr-un proces complex de fabricație hibrid care combină imprimarea 3D, turnarea în vid și așa-numita „acoperire conformală” – o tehnică folosită în mod normal pentru acoperirea plăcilor de circuit într-un strat subțire de polimer pentru a le proteja împotriva mediu înconjurator. Învelișul siliconic este ceea ce permite ca zăbrele să-și „amintească” de forma dorită și să restaureze, atunci când aliajul este topit.
Schelet de cochilie
„Fără cochilie, nu va funcționa, deoarece metalul lichid va curge”, a spus Zhang. „Scheletul controlează forma și integritatea generală, astfel încât metalul lichid în sine poate fi limitat în canale.”
Pentru a ilustra potențialul tehnologiei de zăbrele, Zhang și colegii au realizat mai multe structuri demonstrative – inclusiv fagurele, literele BUME (pentru inginerie mecanică a Universității Binghamton), o plasă asemănătoare unui păianjen și o rețea în formă de mână umană. Când sunt deformate și reîncălzite, toate revin la forma lor inițială.
Când este solid, aliajul Field este foarte puternic și stabil și este mult mai rigid decât majoritatea polimerilor cu memorie de formă, conform Zhang. Un beneficiu crucial al noului material este faptul că un obiect poate fi ușor deformat în spații mult mai mici pentru transport sau depozitare înainte de a fi restaurat la forma sa obișnuită. Cercetătorii consideră că acest lucru ar face materialul ideal pentru utilizarea în misiunile spațiale, unde ar putea fi folosit pentru a realiza antene sau pentru a construi suprastructuri care ar putea fi împachetate strâns pe navele spațiale și apoi extinse la sosirea pe Lună sau pe altă planetă.
Perne spațiale
Materialul ar putea fi folosit și pentru fabricarea de perne, deoarece poate absorbi o cantitate considerabilă de energie atunci când este strivit. Zhang sugerează că acest lucru ar putea fi util pentru construirea de nave spațiale refolosibile. „În mod normal, inginerii folosesc aluminiu sau oțel pentru a produce structuri de perne”, spune el. „După ce aterizați pe Lună, metalul absoarbe energia și se deformează. S-a terminat – îl puteți folosi o singură dată. ”
În schimb, o navă spațială cu perne de aterizare construite folosind o grilă metalică lichidă ar putea fi refolosită, iar și iar. „Folosind aliajul, puteți să-l deformați ca și pe alte metale, dar să îl încălziți mai târziu pentru a-și recupera forma”, a spus Zhang.
„A crescut interesul pentru mașini și structuri care își pot schimba forma, rigiditatea și capacitatea de a suporta sarcina. Aceste arhitecturi au o utilizare potențială în aplicații emergente, cum ar fi roboți moi care imită organismele biologice, sisteme de calcul portabile care se pot conforma mișcării naturale a corpului sau robotică portabilă care poate ajuta la sarcinile motrice umane „, spune Carmel Majidi, un inginer mecanic de la Carnegie Universitatea Mellon. „[Această lucrare] se bazează pe cercetările anterioare în reglarea rigidității și materialele de memorie a formei”, spune el, adăugând-o. „Este o demonstrație excelentă a modului în care metalele cu punct de topire scăzut pot fi utilizate pentru crearea structurilor inteligente și adaptive”.
Schimbări enorme
Michael Dickey – un inginer chimic la Universitatea de Stat din Carolina de Nord este de acord, adăugând: „Această lucrare profită de capacitățile de imprimare 3D, de energia elastică a elastomerilor și de modificările enorme ale modulului care apar atunci când punctele de topire scăzute ale aliajelor metalice se topesc”. Studiul lor inițial finalizat, cercetătorii lucrează acum la îmbunătățirea durabilității, rezistenței și capacității de absorbție a energiei materialelor lor din metal lichid – pe lângă extinderea și perfecționarea procesului de fabricație pentru astfel de lucruri.
Zhang are, de asemenea, un alt obiectiv în minte. „Visul nostru este să construim un robot de metal lichid”, a spus el. „Acum avem o mână, așa că suntem cu un pas mai departe.
Echipa a creat rețeaua metalică lichidă folosind un amestec special de bismut, indiu și staniu cunoscut sub numele de aliaj Field. Acest aliaj are proprietatea relativ neobișnuită de topire la doar 62 ° C, ceea ce înseamnă că poate fi lichefiat doar cu apă caldă. Aliajul Field are deja mai multe aplicații – inclusiv ca lichid de răcire metal-lichid pentru reactoarele nucleare avansate.
Zhang și colegii au combinat aliajul cu o carcasă de silicon printr-un proces complex de fabricație hibrid care combină imprimarea 3D, turnarea în vid și așa-numita „acoperire conformală” – o tehnică folosită în mod normal pentru acoperirea plăcilor de circuit într-un strat subțire de polimer pentru a le proteja împotriva mediu înconjurator. Învelișul siliconic este ceea ce permite ca zăbrele să-și „amintească” de forma dorită și să restaureze, atunci când aliajul este topit.
Schelet de cochilie
„Fără cochilie, nu va funcționa, deoarece metalul lichid va curge”, a spus Zhang. „Scheletul controlează forma și integritatea generală, astfel încât metalul lichid în sine poate fi limitat în canale.”
Pentru a ilustra potențialul tehnologiei de zăbrele, Zhang și colegii au realizat mai multe structuri demonstrative – inclusiv fagurele, literele BUME (pentru inginerie mecanică a Universității Binghamton), o plasă asemănătoare unui păianjen și o rețea în formă de mână umană. Când sunt deformate și reîncălzite, toate revin la forma lor inițială.
Când este solid, aliajul Field este foarte puternic și stabil și este mult mai rigid decât majoritatea polimerilor cu memorie de formă, conform Zhang. Un beneficiu crucial al noului material este faptul că un obiect poate fi ușor deformat în spații mult mai mici pentru transport sau depozitare înainte de a fi restaurat la forma sa obișnuită. Cercetătorii consideră că acest lucru ar face materialul ideal pentru utilizarea în misiunile spațiale, unde ar putea fi folosit pentru a realiza antene sau pentru a construi suprastructuri care ar putea fi împachetate strâns pe navele spațiale și apoi extinse la sosirea pe Lună sau pe altă planetă.
Perne spațiale
Materialul ar putea fi folosit și pentru fabricarea de perne, deoarece poate absorbi o cantitate considerabilă de energie atunci când este strivit. Zhang sugerează că acest lucru ar putea fi util pentru construirea de nave spațiale refolosibile. „În mod normal, inginerii folosesc aluminiu sau oțel pentru a produce structuri de perne”, spune el. „După ce aterizați pe Lună, metalul absoarbe energia și se deformează. S-a terminat – îl puteți folosi o singură dată. ”
În schimb, o navă spațială cu perne de aterizare construite folosind o grilă metalică lichidă ar putea fi refolosită, iar și iar. „Folosind aliajul, puteți să-l deformați ca și pe alte metale, dar să îl încălziți mai târziu pentru a-și recupera forma”, a spus Zhang.
„A crescut interesul pentru mașini și structuri care își pot schimba forma, rigiditatea și capacitatea de a suporta sarcina. Aceste arhitecturi au o utilizare potențială în aplicații emergente, cum ar fi roboți moi care imită organismele biologice, sisteme de calcul portabile care se pot conforma mișcării naturale a corpului sau robotică portabilă care poate ajuta la sarcinile motrice umane „, spune Carmel Majidi, un inginer mecanic de la Carnegie Universitatea Mellon. „[Această lucrare] se bazează pe cercetările anterioare în reglarea rigidității și materialele de memorie a formei”, spune el, adăugând-o. „Este o demonstrație excelentă a modului în care metalele cu punct de topire scăzut pot fi utilizate pentru crearea structurilor inteligente și adaptive”.
Schimbări enorme
Michael Dickey – un inginer chimic la Universitatea de Stat din Carolina de Nord este de acord, adăugând: „Această lucrare profită de capacitățile de imprimare 3D, de energia elastică a elastomerilor și de modificările enorme ale modulului care apar atunci când punctele de topire scăzute ale aliajelor metalice se topesc”. Studiul lor inițial finalizat, cercetătorii lucrează acum la îmbunătățirea durabilității, rezistenței și capacității de absorbție a energiei materialelor lor din metal lichid – pe lângă extinderea și perfecționarea procesului de fabricație pentru astfel de lucruri.
Zhang are, de asemenea, un alt obiectiv în minte. „Visul nostru este să construim un robot de metal lichid”, a spus el. „Acum avem o mână, așa că suntem cu un pas mai departe.
Mihail stories 