Bir “ferromanyetik elastomer” tabaka manyetik etkiler altında şişebilir ve bükülebilir.

Bir nesneyi bir yerden başka bir yere taşımak istediğinizde, genellikle onu ellerinizle veya robotik bir kolla tutarsınız. Peki ya bir sıvı damlası gibi dokunamayacağınız bir şeyi zarar vermeden ya da bozmadan hareket ettirmek isterseniz? Kuzey Carolina Eyalet Üniversitesi'nden bir grup bilim insanının önerdiği çözüm, manyetik alanlara tepki olarak şekil değiştirebilen bir metamalzemedir.

Bu malzemenin şekil değiştirebilmesi için kolayca deforme olabilmesi ama aynı zamanda yük taşıyabilecek kadar da sert olması gerekiyordu. NC State'te mekanik metamalzeme araştırmacısı olan Jie Yin, “Bu çelişkili görünüyordu - aynı anda hem sert hem de deforme olabilen bir şeyi nasıl yaparsınız?” diyor. Ekibi bunu ferromanyetik elastomerler, kirigami kesimleri, balonlar ve mıknatıslarla yaptı.

Yenilenebilir Braille ekran

“Manyetik olmayan nesneleri manipüle etmek için mıknatıs kullanma konusunda çok fazla araştırma yok. Bu çok ama çok zor,” diyor bir başka NC State araştırmacısı ve çalışmanın başyazarı Yinding Chi. Chi ve meslektaşlarının bulduğu fikir, yenilenebilir bir Braille ekranıyla karşılaştırılabilir. İsteğe bağlı olarak yükselebilen, dönebilen ya da bastırılabilen, böylece dinamik olarak kabartma benzeri görüntüler oluşturabilen ya da okyanustaki dalgalara benzer bir düzende hareket edebilen kubbelerle bezeli bir yüzey hayal ettiler. Böylece nesneler bu yüzeyler üzerinde dalgalar tarafından taşınıyormuş gibi hareket edebilecekti. Yin, “Bu şekilde çeşitli nesneleri tutucu kullanmadan hareket ettirebilirsiniz” diyor.

Elastik kubbeler üretmek için gereken ilk adım, standart esnek elastomerik malzeme ve manyetik parçacıkların bir karışımı olan ferromanyetik elastomerden yapılmış diskler kullanmaktı. Çapı 5 milimetre ve kalınlığı 265 mikron olan bu diskler daha sonra şişirilebilir bir membranın üzerine yerleştirildi, bir kubbe oluşturmak için balon gibi şişirildi, mıknatıslandı ve orijinal düz hallerine geri döndürüldü.

Bu işlemden sonra, bu diskler bir manyetik alana tepki olarak şişecek veya çökecekti. Yine de bu tasarımla ilgili birkaç sorun vardı.

İlk sorun, sürekli disklerin yeterince yükseğe çıkmamasıydı. Mangetik bir alanda şişerken, bir milimetrenin biraz üzerinde zirve yapıyorlardı. İkinci sorun ise disklerin yapıldığı malzemenin sertliğinin nispeten düşük olmasıydı ve bu da kaldırabileceklerini sınırlıyordu. Sonuç olarak, diskler güçlü manyetik alanlara maruz kaldıklarında bile hiçbir şeyi hareket ettiremiyordu.

Kes ve ger

Chi'nin ekibi bu sorunu diskleri lazer kesici ile kirigami benzeri bir desende keserek çözmeyi denedi.

Origaminin bir çeşidi olan kirigami, sayfadan ayağa kalkan karmaşık üç boyutlu şekiller oluşturmak için kağıdı kesip katlayan bir Japon sanatıdır. Chi'nin ekibi, ferromanyetik elastomer disklerine kirigami benzeri kesikler eklemenin kubbenin yüksekliğini artıracağını umuyordu.

Ortogonal kesiklere sahip 1,5 milimetre uzunluğunda ve 250 mikron genişliğindeki diskler manyetik alana maruz kaldıklarında 4 milimetreye ulaşabiliyordu, bu da kesiksiz kubbelerin iki katından daha yüksekti. Hatta bir dereceye kadar dönebiliyorlardı.

Ancak bir sorun vardı.

Kesiklerin eklenmesi, malzemenin stres altında ne kadar sağlam olduğunun bir ölçüsü olan Young modülünü önemli ölçüde azaltmalıdır. Kubbe gibi küresel bir kabuğun yapısal sertliğini hesaplamak için Young modülünü kalınlığının karesiyle çarpar ve kabuğun yarıçapına bölersiniz. Kağıt üzerinde bir kirigami kubbenin standart bir kubbeden dört kat daha az sert olması ve dolayısıyla yük taşımada daha kötü olması gerekirdi. Ama çok daha iyiydi.

Manyetik sihir

Bu tahminlerin yanlış çıkmasının nedeni, denklemlerin manyetik alanları hesaba katmamasıydı. Yin, “Kesiğin genişliği ve uzunluğunun belirli oranlarının, yani kesiğin boyutunun, manyetik alan uygulandığında son derece uyumlu ama aynı zamanda çok yüksek sertliğe sahip bir malzeme elde etmemizi sağladığını bulduk” diyor.

Kesiklerin uzunluk/genişlik oranının altı olduğu bir kirigami tasarımı mıknatıslara karşı çok daha duyarlıydı ve bu da manyetik olarak indüklenen sertleşme olarak bilinen bir etkiyi artırdı. Etrafta mıknatıs yokken, kirigami diski kesiksiz olana göre çok daha uyumluydu. Ancak bir manyetik alan uygulandığında, 1,8 kattan daha fazla sertleşti.

Genel olarak, kirigami kubbesi 43,1 gram ağırlığındaki bir nesneyi (kendi ağırlığının 28 katı) 2,5 milimetre yüksekliğe kaldırabilir ve orada tutabilir. Bu teknolojinin neler yapabileceğini test etmek için Yin'in ekibi, altına yerleştirilen ve sağa sola hareket edebilen ya da dönebilen hareketli kalıcı manyetik sütunlarla harekete geçirilen 5×5'lik bir kubbe dizisi inşa etti. Dizi, damlacıkları, patates cipslerini, bir yaprağı ve hatta küçük bir ahşap tahtayı hassas bir şekilde hareket ettirebildi. Ayrıca bir petri kabını da döndürebiliyordu.

Yeni nesil haptikler

Ekip, bu teknolojinin olası uygulamalarından birinin, araştırma laboratuvarlarında çok küçük miktarlardaki sıvıların hassas bir şekilde taşınması ve karıştırılması olduğunu düşünüyor. Ancak tartışmasız daha heyecan verici başka bir seçenek daha var. Chi'nin şekil değiştiren yüzeyi çok hızlı; manyetik alandaki değişikliklere 2 milisaniyenin altında tepki veriyor ki bu da oyun monitörleriyle yarışan bir tepki süresi demek.

Ekibe göre bu, dokunsal geri bildirim kontrolörlerinde kullanılmasını mümkün kılıyor. Süper hızlı, manyetik olarak harekete geçirilen şekil değiştiren yüzeyler, VR gözlüklerinizi takarak etkileşime girdiğiniz nesnelerin dokunma, doku ve hislerini taklit edebilir. Yin, “Haptik konusunda yeniyim, ancak manyetik alanı modüle ederek yüzeylerimizin sertliğini değiştirebileceğimizi düşünürsek, bu farklı haptik algıları yeniden yaratmamızı sağlayacaktır” diyor.

Bu gerçeğe dönüşmeden önce, ekibin üstesinden gelmesi gereken bir sınırlama daha var.

Yin'in şekil değiştiren yüzeyini, her bir kubbenin tek bir piksel anlamına geldiği bir ekranla karşılaştırırsanız, bu ekranın çözünürlüğü çok düşük olacaktır. Yin, “Dolayısıyla, bu kubbeleri ne kadar küçük yapabileceğiniz sorusu var” diyor. Yin, gelişmiş üretim teknikleriyle kubbeleri yaklaşık 10 mikron çapa kadar küçültmenin mümkün olduğunu öne sürdü. “Asıl zorluk, bu ölçeklerde harekete geçirmeyi nasıl yapacağımız; bugün odaklandığımız konu bu. Yolu açmaya çalışıyoruz ama daha yapacak çok şey var” diye ekliyor Chi.