Ilmuwan Harvard telah mengembangkan cairan “pintar”.

Para ilmuwan telah mengembangkan meta-fluida dengan respons yang dapat diprogram.

Para ilmuwan di John A. Sekolah Teknik dan Sains Terapan Paulson (SEAS) di Harvard telah mengembangkan fluida metafluida yang dapat diprogram dengan elastisitas yang dapat disesuaikan, sifat optik, viskositas, dan bahkan kemampuan untuk bertransisi antara fluida Newtonian dan non-Newtonian.

Cairan metafluoresen pertama dari jenisnya menggunakan suspensi bola karet kecil – antara 50 dan 500 mikron – yang melentur di bawah tekanan, sehingga secara radikal mengubah sifat cairan. Metafluida dapat digunakan dalam segala hal mulai dari aktuator hidrolik hingga robot yang dapat diprogram, hingga peredam kejut cerdas yang dapat menghilangkan energi tergantung pada tingkat keparahan dampaknya, hingga perangkat optik yang dapat berubah dari bening hingga buram.

Penelitian ini dipublikasikan di alam.

“Kami baru menggali permukaan dari apa yang mungkin dilakukan dengan kelas fluida baru ini,” kata Adel Jalouli, peneliti di bidang ilmu material dan teknik mesin di SEAS dan penulis pertama makalah tersebut. “Dengan satu platform ini, Anda dapat melakukan banyak hal berbeda di banyak bidang berbeda.”

Metafluida vs Padat

Metamaterial – bahan rekayasa yang sifatnya ditentukan oleh strukturnya, bukan komposisinya – telah banyak digunakan dalam berbagai aplikasi selama bertahun-tahun. Namun sebagian besar material — seperti mineral logam pionir di laboratorium Federico Capasso dan Robert L. Wallace, seorang peneliti senior di bidang teknik elektro di Fenton Hayes School of Applied Sciences – adalah orang yang solid.

Optik yang dapat disesuaikan dengan logo Universitas Harvard ditampilkan di bawah cairan metafluoresen. Kredit: Universitas Harvard LAUT

“Berbeda dengan padat bahan meta“Cairan metafora memiliki kemampuan unik untuk mengalir dan beradaptasi dengan bentuk wadahnya,” kata Katia Bertoldi, profesor mekanika terapan di Fakultas Ilmu Terapan SEAS University dan penulis utama makalah tersebut. “Tujuan kami adalah menciptakan meta-fluida yang tidak hanya memiliki atribut hebat ini, namun juga menyediakan platform untuk viskositas, kompresibilitas, dan sifat optik yang dapat diprogram.”

Menggunakan teknologi manufaktur yang sangat terukur yang dikembangkan di laboratorium David A. Weitz, Profesor Fisika dan Fisika Terapan Mallinckrodt di SEAS, tim peneliti memproduksi ratusan ribu kapsul bola berisi udara yang sangat mudah berubah bentuk dan disuspensikan dalam minyak silikon. . Ketika tekanan di dalam cairan meningkat, kapsul akan mengempis membentuk belahan seperti lensa. Ketika tekanan ini dihilangkan, kapsul kembali ke bentuk bolanya.

Properti dan Aplikasi Metafluida

Transformasi ini mengubah beberapa sifat fluida, termasuk viskositas dan opacity. Sifat-sifat ini dapat diatur dengan mengubah jumlah, ketebalan dan volume kapsul dalam cairan.

Para peneliti mendemonstrasikan kemampuan program cairan dengan memasukkan cairan metafisik ke dalam robot gripper hidrolik dan meminta gripper mengambil botol, telur, dan buah beri. Dalam sistem hidrolik sederhana bertenaga udara atau air, robot memerlukan semacam sensor atau kontrol eksternal untuk dapat menyesuaikan cengkeramannya dan mengambil tiga benda tanpa menghancurkannya.

Namun dengan metafluida, penginderaan tidak diperlukan. Cairan itu sendiri merespons tekanan yang berbeda-beda, mengubah kesesuaiannya untuk menyesuaikan kekuatan pegangan sehingga dapat mengambil botol yang berat, telur yang lembut, dan buah beri kecil, tanpa pemrograman tambahan.

“Kami menunjukkan bahwa kami dapat menggunakan cairan ini untuk memberikan kecerdasan pada robot sederhana,” kata Jalouli.

Tim juga mendemonstrasikan gerbang logika fluida yang dapat diprogram ulang dengan mengubah metafluida.

Sifat optik dan keadaan cairan

Metafluida juga mengubah sifat optiknya ketika terkena tekanan yang bervariasi.

Ketika kapsul berbentuk bulat, mereka menyebarkan cahaya, membuat cairan menjadi buram, seperti gelembung udara yang membuat air berkarbonasi tampak putih. Namun ketika ada tekanan dan kapsulnya mengempis, kapsul tersebut bertindak seperti lensa kecil, memfokuskan cahaya dan membuat cairan menjadi transparan. Sifat optik ini dapat digunakan untuk berbagai aplikasi, seperti tinta elektronik yang berubah warna berdasarkan tekanan.

Para peneliti juga menunjukkan bahwa ketika kapsul berbentuk bola, metafluidanya berperilaku seperti cairan Newtonian, yang berarti viskositasnya hanya berubah sebagai respons terhadap suhu. Namun, ketika kapsulnya runtuh, suspensi berubah menjadi fluida non-Newtonian, yang berarti viskositasnya akan berubah sebagai respons terhadap gaya geser – semakin besar gaya gesernya, maka semakin cair jadinya. Ini adalah meta-fluida pertama yang terbukti mengalami transisi antara keadaan Newtonian dan non-Newtonian.

Selanjutnya, para peneliti bertujuan untuk mengeksplorasi sifat akustik dan termodinamika superfluida.

“Ruang penerapan metafluida yang terukur dan mudah diproduksi ini sangatlah besar,” kata Bertoldi.

Referensi: “Shell Indentation for Programmable Metafluids” oleh Adel Jalouli, Bert van Raemdonck, Yang Wang, Yi Yang, Anthony Caillaud, David Weitz, Shmuel Rubinstein, Benjamin Goersen, dan Katja Bertoldi, 3 April 2024, alam.
doi: 10.1038/s41586-024-07163-z

Kantor Pengembangan Teknologi Universitas Harvard telah melindungi kekayaan intelektual yang terkait dengan penelitian ini dan sedang menjajaki peluang komersialisasi.

Penelitian ini sebagian didukung oleh NSF melalui Hibah Pusat Sains dan Teknik Penelitian Material Universitas Harvard No. DMR-2011754.