O efeito de retenção ajuda os engenheiros a resolver o trade-off de movimento de material suave

Ocorrências cotidianas como clipes de cabelo estalando ou clicar em canetas retráteis apresentam um fenômeno mecânico conhecido como “snap-through”. Pequenos insetos e plantas como o Venus Flytrap usam inteligentemente esse efeito de instantâneo para ampliar sua força física limitada, liberando rapidamente energia elástica armazenada para movimentos rápidos e poderosos.

Inspirados neste mecanismo natural, pesquisadores da Universidade de Hanyang desenvolveram um saltador baseado em polímeros capaz de saltos verticais e direcionais, desencadeado simplesmente por irradiação de luz uniforme de luz ultravioleta (UV).

Publicado em Avanços científicosEste estudo aborda um dilema clássico de engenharia: como fazer materiais macios produzem movimentos rápidos e fortes.

Assim como recuar um arco para lançar uma flecha, o material precisa dobrar e armazenar energia antes de liberá -lo para produzir um movimento repentino e poderoso. Muita rigidez limita a flexão, enquanto muita suavidade enfraquece a força armazenada.

Liderado por Jeong Jae (JJ) Wie, professor da Universidade de Hanyang, a equipe abordou inteligentemente esse “trade-off”, introduzindo padrões de rigidez variável em um único filme de polímero, combinando os pontos fortes de materiais rígidos e macios.

A chave para alcançar um movimento rápido e poderoso de salto está no snap-through, um fenômeno impulsionado por transições não lineares em estruturas biestíveis. Imagine dobrar uma faixa elástica ou corda, aproximando -se lentamente. Inicialmente, ele se curva suavemente para cima, mas de repente, se encaixa em uma curvatura completamente invertida.

Essa rápida transição converte a energia elástica armazenada em energia cinética, impulsionando o material para cima à medida que empurra contra o solo, seguindo a terceira lei de ação e reação de Newton.

Traduzindo esse mecanismo de retenção em movimento controlado, a equipe projetou variações de rigidez em um jumper feito de redes de polímero cristalino líquido. As regiões suaves permitiram que o material se dobrasse facilmente, enquanto regiões rígidas armazenadas e liberadas com eficiência elástica.

Ao colocar uma área rígida em um canto, o jumper do polímero alcançou saltos direcionais precisos e giros rápidos. Convencionalmente, o controle da direção do movimento em robôs macios poliméricos requer pistas externas, como luzes angulares ou ajustes geométricos.

Neste estudo, no entanto, os pesquisadores usaram variação de rigidez padronizada para construir na assimetria. Essa estratégia permitiu que o material dobrasse de maneira desigual sob luz uniforme e libere energia em uma direção, criando giros rápidos.

Enquanto isso, colocar uma área rígida no centro permitiu saltos verticais de definição de recordes, atingindo 49 mm ou cerca de 25 vezes o comprimento do jumper. O centro rígido atuava como uma âncora sólida, empurrando com força o chão, enquanto as regiões macias circundantes se dobram mais facilmente para aumentar a curvatura e armazenar energia.

Essa combinação permitiu acumulação de energia mais forte e liberação subsequente, superando o trade-off típico entre rigidez e flexibilidade para alcançar um poderoso salto vertical.

Expandindo ainda mais seu design, a equipe ampliou o comprimento do corpo do jumper e adaptou um padrão alternado de rígido macio para alcançar um jumper “duplo modo”.

Dependendo da forma deformada, este filme de polímero único pode pular vertical ou direcionalmente, demonstrando versatilidade notável. Quando o filme foi realizado em uma curva mais apertada, ele agiu como um movimento de dedos, estalando para cima para um forte salto vertical.

Por outro lado, uma forma mais suave e alongada permitiu que o movimento de estalamento viajasse gradualmente de uma extremidade para a outra, resultando em movimento direcional.

Apesar de sua maior massa corporal, este jumper de modo duplo realizado em pé de igualdade com saltadores de modo único especializado em saltos verticais ou direcionais. Ele até demonstrou comutação rápida entre os dois modos de salto em uma sequência contínua, o que é um comportamento raramente alcançado em robôs macios de salto baseados em polímeros.

Olhando para o futuro, a estratégia de design dessa equipe pode levar a atuadores suaves que não apenas se movem com precisão, mas também oferecem movimento poderoso e amplificado.