점프하는 여호사밧! 새로운 메뚜기 같은 물질은 자체 두께의 200배를 뛸 수 있습니다.

콜로라도 대학 볼더(University of Colorado Boulder)의 엔지니어들은 메뚜기처럼 공중으로 높이 뛸 수 있는 새로운 고무 같은 필름을 설계했습니다. 가열하고 점프하는 것을 지켜보세요!

연구원들은 1월 18일 저널에서 그들의 성과를 설명합니다. 과학 발전. 그들은 유사한 재료가 언젠가는 “소프트 로봇”(이동하는 데 기어나 기타 단단한 구성 요소가 필요하지 않은 로봇)을 구현하는 데 도움이 될 것이라고 말합니다.

재료 합성물은 메뚜기가 다리에 에너지를 저장하고 방출함으로써 점프하는 것과 약간 유사하다고 연구 공동 저자인 Timothy White는 말했습니다.

“자연에서 메뚜기 다리와 같은 많은 적응은 탄성 불안정성과 같은 저장된 에너지를 활용합니다.”라고 CU Boulder의 화학 및 생물 공학 교수인 White는 말했습니다. “우리는 이러한 자연적 특성을 모방하는 합성 재료를 만들려고 노력하고 있습니다.”

새로운 연구는 액정 엘라스토머(liquid crystal elastomers)라고 불리는 재료 종류의 특이한 거동을 이용합니다. 이 소재는 노트북이나 TV 디스플레이에서 볼 수 있는 액정의 단단하고 신축성 있는 폴리머 버전입니다.

이 연구에서 팀은 콘택트 렌즈 크기 정도의 작은 액정 엘라스토머 웨이퍼를 제작한 다음 핫 플레이트에 올려 놓았습니다. 이 필름이 가열되면서 휘어지기 시작하여 갑자기 폭발적으로 위로 뒤집히는 원뿔을 형성하여 단 6밀리초 만에 자체 두께의 거의 200배 높이까지 재료를 쏘아 올렸습니다.

“이것은 종종 이러한 고속, 고하중 작동 메커니즘에 대한 액세스가 필요한 소프트 로봇과 같은 응용 분야에서 폴리머 재료를 새로운 방식으로 사용할 수 있는 기회를 제공합니다. 2022년 CU 볼더에서.

우연한 발견

현재 오레곤 대학의 박사 후 연구원인 Hebner와 그녀의 동료들은 거의 우연히 이 도약 행동을 발견했습니다.

그녀는 변화하는 온도에서 모양이 어떻게 변하는지 보기 위해 다양한 종류의 액정 엘라스토머를 설계하는 실험을 하고 있었습니다. White 연구실의 수석 연구원인 Joselle McCracken이 그녀와 함께 관찰했습니다.

“우리는 액정 엘라스토머가 왜 우리가 예상한 모양을 만들지 못하는지 궁금해 핫플레이트에 앉아 있는 것을 보고 있었습니다. 갑자기 테스트 단계에서 바로 조리대 위로 뛰어내렸습니다.”라고 Hebner는 말했습니다. “우리 둘 다 서로를 혼란스럽게 바라보았지만 또한 흥분했습니다.”

신중한 실험과 California Institute of Technology 공동 작업자의 도움을 받아 팀은 재료가 높이 뛰는 이유를 발견했습니다.

White는 이러한 각 필름이 3개의 엘라스토머 층으로 구성되어 있다고 설명했습니다. 이 레이어는 뜨거워지면 수축하지만 맨 위 두 레이어는 맨 아래 레이어보다 더 빨리 수축한다고 그는 말했습니다. 이러한 부조화는 층 내 액정 분자의 방향과 결합되어 필름을 수축시켜 원뿔 모양을 형성합니다. 페인트 칠한 비닐 사이딩이 태양 광선에 뒤틀리는 것과 비슷합니다.

원뿔이 형성됨에 따라 필름에 변형이 축적되어 한 번에 — 찰칵! 원뿔이 반전되어 표면을 때리고 재료를 두드립니다. 동일한 필름이 마모되지 않고 여러 번 뛸 수도 있습니다.

“그 반전이 발생하면 재료가 찰칵 소리를 내며 아이들의 포퍼 장난감처럼 표면에서 뛰어 내립니다.”라고 White는 말했습니다.

도약

그러나 이러한 팝퍼와 달리 팀의 액정 엘라스토머는 다재다능합니다. 연구자들은 예를 들어, 더위가 아니라 추울 때 뛰도록 필름을 조정할 수 있습니다. 또한 영화에 다리를 주어 특정 방향으로 점프하도록 할 수도 있습니다.

대부분의 로봇은 이러한 종류의 팝핑 효과를 사용하여 부품을 움직일 수 없습니다. 그러나 White는 이 프로젝트가 유사한 종류의 재료가 할 수 있는 것, 즉 인상적인 양의 탄성 에너지를 저장한 다음 한 번에 방출할 수 있음을 보여준다고 말했습니다. 그리고 Hebner는 이 프로젝트가 연구실에 약간의 재미를 가져다 주었다고 말했습니다.

“이것은 우리가 연구하는 기본 개념이 어떻게 복잡하고 놀라운 방식으로 작동하는 디자인으로 변환될 수 있는지를 보여주는 강력한 예입니다.”라고 그녀는 말했습니다.

메뚜기, 새로운 경쟁자를 만나십시오.

동영상: https://youtu.be/0iggefqpACQ

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2023/01/230118195821.htm