- 19,427
- 40
- 8 Ноя 2022
Технология запасает рекордное количество энергии. Что это значит для техники?
Исследователи из Технологического института Карлсруэ разработали революционную структуру, превосходящую природные аналоги по способности накапливать механическую энергию. В основе изобретения — особая геометрия из скрученных элементов, деформирующихся по спирали. Это достижение относится к области метаматериалов — искусственно созданных конструкций, чьи необычные свойства достигаются за счет точного расположения миниатюрных компонентов, а не химического состава.
В отличие от традиционных пружин, где изгиб создает опасную концентрацию напряжений на крайних точках, в новой конструкции нагрузка распределяется равномерно по всей поверхности. Это позволяет элементам выдерживать значительные деформации без риска разрушения или необратимых изменений формы.
"Главная сложность заключалась в том, чтобы совместить противоречащие друг другу характеристики: высокую жесткость, прочность и способность к значительным обратимым деформациям", — поясняет профессор Петер Гумбш из Института прикладных материалов KIT. Решение нашлось в особой архитектуре из переплетенных компонентов, образующих трехмерную сеть.
Международный коллектив, включающий специалистов из Китая и США, сначала изучил поведение одиночных цилиндрических элементов при кручении. "Сперва мы обнаружили механизм, позволяющий простому круглому стержню запасать большое количество энергии без разрушения и остаточной деформации", — отмечает Гумбш. Затем эту механику удалось воспроизвести в масштабной структуре. Компьютерное моделирование предсказало выдающиеся характеристики, которые подтвердились на практике.
Испытания показали: новая разработка способна запасать в 2-160 раз больше упругой энергии по сравнению с известными искусственными конструкциями. При этом она легко восстанавливает форму после растяжения или сжатия. Такое сочетание свойств открывает широкие перспективы для промышленного применения.
Созданная технология может произвести переворот в робототехнике. Традиционные жесткие шарниры уступят место гибким соединениям, которые накапливают и отдают энергию при движении. Это сделает манипуляторы более плавными и экономичными. В экзоскелетах подобные элементы помогут точнее имитировать естественные движения человека.
Промышленные механизмы также выиграют от внедрения новой разработки. Амортизаторы и демпферы на её основе поглотят больше вибраций, продлевая срок службы оборудования. В транспорте такие компоненты улучшат плавность хода и снизят расход энергии на преодоление неровностей.
"Наши новые метаматериалы с их высокой способностью накапливать упругую энергию имеют потенциал для использования в различных областях, где требуется как эффективное энергосбережение, так и исключительные механические свойства", — подчеркивает профессор Гумбш. Следующий этап исследований направлен на оптимизацию структуры для конкретных задач и создание промышленных образцов. Результаты работы опубликованы в журнале Nature.
Исследователи из Технологического института Карлсруэ разработали революционную структуру, превосходящую природные аналоги по способности накапливать механическую энергию. В основе изобретения — особая геометрия из скрученных элементов, деформирующихся по спирали. Это достижение относится к области метаматериалов — искусственно созданных конструкций, чьи необычные свойства достигаются за счет точного расположения миниатюрных компонентов, а не химического состава.
В отличие от традиционных пружин, где изгиб создает опасную концентрацию напряжений на крайних точках, в новой конструкции нагрузка распределяется равномерно по всей поверхности. Это позволяет элементам выдерживать значительные деформации без риска разрушения или необратимых изменений формы.
"Главная сложность заключалась в том, чтобы совместить противоречащие друг другу характеристики: высокую жесткость, прочность и способность к значительным обратимым деформациям", — поясняет профессор Петер Гумбш из Института прикладных материалов KIT. Решение нашлось в особой архитектуре из переплетенных компонентов, образующих трехмерную сеть.
Международный коллектив, включающий специалистов из Китая и США, сначала изучил поведение одиночных цилиндрических элементов при кручении. "Сперва мы обнаружили механизм, позволяющий простому круглому стержню запасать большое количество энергии без разрушения и остаточной деформации", — отмечает Гумбш. Затем эту механику удалось воспроизвести в масштабной структуре. Компьютерное моделирование предсказало выдающиеся характеристики, которые подтвердились на практике.
Испытания показали: новая разработка способна запасать в 2-160 раз больше упругой энергии по сравнению с известными искусственными конструкциями. При этом она легко восстанавливает форму после растяжения или сжатия. Такое сочетание свойств открывает широкие перспективы для промышленного применения.
Созданная технология может произвести переворот в робототехнике. Традиционные жесткие шарниры уступят место гибким соединениям, которые накапливают и отдают энергию при движении. Это сделает манипуляторы более плавными и экономичными. В экзоскелетах подобные элементы помогут точнее имитировать естественные движения человека.
Промышленные механизмы также выиграют от внедрения новой разработки. Амортизаторы и демпферы на её основе поглотят больше вибраций, продлевая срок службы оборудования. В транспорте такие компоненты улучшат плавность хода и снизят расход энергии на преодоление неровностей.
"Наши новые метаматериалы с их высокой способностью накапливать упругую энергию имеют потенциал для использования в различных областях, где требуется как эффективное энергосбережение, так и исключительные механические свойства", — подчеркивает профессор Гумбш. Следующий этап исследований направлен на оптимизацию структуры для конкретных задач и создание промышленных образцов. Результаты работы опубликованы в журнале Nature.
- Источник новости
- www.securitylab.ru
