Inventan un metafluido con respuesta programable
Un novedoso metafluido programable ofrece elasticidad ajustable, propiedades ópticas, viscosidad y transición que le confiere amplias posibilidades de uso en una variedad de dispositivos.
La investigación, desarrollada por investigadores de la Escuela de IngenierÃa y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS), se publica en 'Nature'.
El metafluido, el primero de su tipo, utiliza una suspensión de pequeñas esferas de elastómero (entre 50 y 500 micrones) que se doblan bajo presión, cambiando radicalmente las caracterÃsticas del fluido. El metafluido podrÃa usarse en todo, desde actuadores hidráulicos hasta robots de programación, amortiguadores inteligentes que pueden disipar energÃa dependiendo de la intensidad del impacto y dispositivos ópticos que pueden pasar de transparente a opaco.
"Apenas estamos arañando la superficie de lo que es posible con esta nueva clase de fluido", adelanta Adel Djellouli, investigador asociado en ciencia de materiales e ingenierÃa mecánica en SEAS y primer autor del artÃculo. "Con esta plataforma, se pueden hacer muchas cosas diferentes en muchos campos diferentes".
Los metamateriales (materiales diseñados artificialmente cuyas propiedades están determinadas por su estructura más que por su composición) se han utilizado ampliamente en una variedad de aplicaciones durante años. Pero la mayorÃa de los materiales, como los metalenses desarrollados por primera vez en el laboratorio de Federico Capasso, profesor Robert L. Wallace de FÃsica Aplicada y Vinton Hayes investigador senior en ingenierÃa eléctrica en SEAS, son sólidos.
"A diferencia de los metamateriales sólidos, los metafluidos tienen la capacidad única de fluir y adaptarse a la forma de su contenedor", señala Katia Bertoldi, profesora de Mecánica Aplicada William y Ami Kuan Danoff en SEAS y autora principal del artÃculo. "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 FÃsica y FÃsica 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 lÃquido, las cápsulas colapsan, formando una media esfera en forma de lente. Cuando se elimina esa presión, las cápsulas vuelven a su forma esférica.
Esa transición cambia muchas de las propiedades del lÃquido, incluidas su viscosidad y opacidad. Esas propiedades se pueden ajustar cambiando la cantidad, el grosor y el tamaño de las cápsulas en el lÃquido.
Los investigadores demostraron la programabilidad del lÃquido 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 por simple aire o agua, el robot necesitarÃa algún tipo de detección o control externo para poder ajustar su agarre y recoger los tres objetos sin aplastarlos.
Pero con el metafluido no se necesita ninguna detección. El propio lÃquido responde a diferentes presiones, cambiando su elasticidad para ajustar la fuerza de la pinza para poder coger 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", afirma Djellouli.
El equipo también demostró una puerta lógica fluÃdica que se puede reprogramar cambiando el metafluido. El metafluido también cambia sus propiedades ópticas cuando se expone a presiones cambiantes. Cuando las cápsulas son redondas, dispersan la luz, haciendo que el lÃquido 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 lÃquido sea transparente. Estas propiedades ópticas podrÃan usarse para una variedad de 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, lo que significa que 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. Este es el primer metafluido que se ha demostrado que realiza una transición entre estados newtonianos y no newtonianos. A continuación, los investigadores pretenden explorar las propiedades acústicas y termodinámicas del metafluido.
