Les pièges à mouches de Vénus le font, les fourmis pièges le font, et maintenant les scientifiques des matériaux de l'Université du Massachusetts à Amherst peuvent le faire, ils ont également découvert un moyen de convertir efficacement l'énergie élastique d'un ressort en énergie cinétique pour une accélération élevée, mouvements de vitesse extrême comme le fait la nature.

Dans la physique des systèmes artificiels et de nombreux systèmes naturels, convertir l'énergie d'une forme à une autre signifie généralement perdre une grande partie de cette énergie, disent le premier auteur Xudong Liang et le chercheur principal Alfred Crosby. "Il y a toujours un coût élevé, et la plupart de l'énergie dans une conversion est perdue, " dit Crosby. " Mais nous avons découvert au moins un mécanisme qui aide considérablement. " Les détails sont dans Lettres d'examen physique.

En utilisant l'imagerie à haute vitesse, Liang et Crosby ont mesuré dans les moindres détails le recul, ou claquer, mouvement de bandes élastiques pouvant atteindre des accélérations et des vitesses similaires à celles de nombreux systèmes biologiques naturels qui les ont inspirées. En expérimentant différentes conformations de bandes élastiques, ils ont découvert un mécanisme pour imiter le mouvement rapide des fourmis et des pièges à mouches, événements d'impulsion de haute puissance avec une perte d'énergie minimale.

Liang, qui fait maintenant partie du corps professoral de l'Université de Binghamton, et Crosby font partie d'un groupe qui comprend des roboticiens et des biologistes dirigés par Sheila Patek, ancienne experte de l'UMass Amherst, maintenant à l'Université Duke. Elle a étudié pendant des années le mouvement extrêmement rapide d'arrachement des appendices de la crevette-mante. Leur équipe multi-institutions est soutenue par une subvention de l'Initiative de recherche universitaire multidisciplinaire de l'armée américaine (MURI) financée par le Laboratoire de recherche de l'armée américaine et son bureau de recherche.

Dans les observations et les expériences de Liang, il a découvert les conditions sous-jacentes dans lesquelles l'énergie est la plus conservée, ainsi que la physique fondamentale, et présente ce que Crosby appelle « de très belles théories et équations » pour étayer leurs conclusions. "Notre recherche révèle que les structures géométriques internes d'un ressort jouent un rôle central dans l'amélioration du processus de conversion d'énergie pour les mouvements à haute puissance, ", note Crosby.

Le secret s'est avéré être l'ajout de trous elliptiques et non circulaires stratégiquement placés à la bande élastique, dit Liang. "Le maintien de l'efficacité n'est pas intuitif, il est très difficile de deviner comment le faire avant de l'expérimenter. Mais vous pouvez commencer à former une théorie une fois que vous voyez comment l'expérience se déroule dans le temps. Vous pouvez commencer à réfléchir à son fonctionnement."

Il a ralenti l'action pour observer le mouvement de claquement dans un polymère synthétique qui agit comme un élastique.

Liang a découvert que le secret structurel réside dans la conception d'un motif de trous. "Sans trous, tout s'étire, " note-t-il. " Mais avec des trous, certaines zones du matériau se retourneront et s'effondreront. » Lorsque les bandes simples sont étirées et reculées, moins de 70 % de l'énergie stockée est exploitée pour un mouvement à haute puissance, le reste est perdu.

Par contre, l'ajout de pores transforme les bandes en méta-matériaux mécaniques qui créent un mouvement par rotation, Liang explique. Lui et Crosby démontrent qu'avec les méta-matériaux, plus de 90 % de l'énergie stockée est utilisée pour entraîner le mouvement. « En physique, la flexion accomplit le même mouvement avec moins d'énergie, Ainsi, lorsque vous manipulez le motif des pores, vous pouvez concevoir la bande pour qu'elle se plie à l'intérieur ; il devient à haute efficacité, " ajoute Crosby.

"Cela montre que nous pouvons utiliser la structure pour modifier les propriétés des matériaux. D'autres savaient que c'était une approche intéressante, mais nous l'avons avancé, en particulier pour le mouvement à grande vitesse et la conversion de l'énergie élastique en énergie cinétique, ou mouvement."

Les deux espèrent que cette avancée aidera les roboticiens de leur équipe MURI et d'autres avec un objectif de performance pour les aider à concevoir à haute efficacité, systèmes robotiques cinétiques rapides.

Liang dit, « Maintenant, nous pouvons remettre certaines de ces structures et dire :« Voici comment concevoir un ressort pour vos robots. » Nous pensons que la nouvelle théorie ouvre beaucoup de nouvelles idées et questions sur la façon de regarder la biologie, comment les tissus sont structurés ou leurs coquilles sont configurées pour permettre la rotation que nous montrons est la clé, " il ajoute.