Επιστήμη υλικών
Τα Αουξετικά Υλικά Έχουν Ευρείες Εφαρμογές. Προηγμένοι Αλγόριθμοι Τώρα Τα Καθιστούν Πιο Εύκολα στη Δημιουργία
Προσθέστε το Securities.io στις προτιμώμενες πηγές σας στο Google
Τα αουξετικά υλικά συστέλλονται και επεκτείνονται στην εγκάρσια κατεύθυνση όταν υποβάλλονται σε αξονική συμπίεση και τάση, αντίστοιχα. Αντιδρούν με τρόπο που είναι αντίστροφος από τα κοινά ελαστικά υλικά και, επομένως, παρουσιάζουν αρνητικό λόγο Poisson. Αυτός ο λόγος μετρά την παραμόρφωση σε μια κατεύθυνση κάθετη στην εφαρμοζόμενη δύναμη. Σε αντίθεση με τα συνηθισμένα ελαστικά υλικά, τα αουξετικά υλικά, κατά τη συμπίεση, γίνονται πιο λεπτά στην κατεύθυνση κάθετη στην εφαρμοζόμενη δύναμη.
Αυτά τα υλικά έχουν γίνει δημοφιλή τις τελευταίες δεκαετίες λόγω των χρήσιμων ιδιοτήτων τους, όπως η καλή αντοχή στο σπάσιμο, η υψηλή αντίσταση σε εντύπωση/πρόσκρουση, το μέτρο διατμησης, η καλή απορρόφηση ενέργειας, η συνκλική παραμόρφωση και η υψηλή εγκάρσια παραμόρφωση. Διαθέτουν επίσης υψηλή αντοχή σε οδοντωτές φθορές και ανώτερη επιφανειακή ισοτροπία.
Όλες αυτές οι ιδιότητες έχουν ενισχύσει τα αουξετικά υλικά, εξασφαλίζοντας τη ευρεία χρηστικότητά τους. Στα επόμενα τμήματα, θα εξετάσουμε ορισμένες τέτοιες περιπτώσεις χρήσης στους τομείς της ιατρικής επιστήμης και υγειονομικής περίθαλψης, της μηχανικής οχημάτων, της μηχανικής προστασίας, της ένδυσης κ.λπ.
Αουξετικά Υλικά στην Υγειονομική Περίθαλψη και τις Ιατρικές Επιστήμες
Το υψηλής πυκνότητας αουξετικό πολυαιθυλένιο χρησιμοποιείται για την ανάπτυξη τεχνητών ενδοσπονδύλιων δίσκων για χειρουργικές επεμβάσεις στη σπονδυλική στήλη. Αυτοί οι δίσκοι μπορούν να λυγίσουν και να στρίψουν και ενδεχομένως να προσφέρουν βελτιωμένη βιομηχανική απόδοση σε σύγκριση με τις παραδοσιακές λύσεις αντικατάστασης δίσκων. Οι αουξετικές τους ιδιότητες αποτρέπουν διογκώσεις που θα μπορούσαν να τραυματίσουν τα γύρω νευρικά άκρα, επιτρέποντας στον δίσκο να μιμηθεί τέλεια τη συμπεριφορά ενός φυσικού οσφυϊκού ενδοσπονδύλιου δίσκου.
Ένα αουξετικό βίδωμα πεδικού επίσης προτάθηκε για τη βελτίωση της βιομηχανικής αλληλεπίδρασης μεταξύ του γύρω οστού και του βιδώματος, κυρίως για τη σπονδυλική στήλη.
Η έρευνα βοήθησε επίσης τους επιστήμονες να αναπτύξουν ένα στελέχος στεφανιαίας αγγειακής στέντ με αουξετική γεωμετρία, βασισμένο σε ανοξείδωτο ατσάλι 316L ιατρικής ποιότητας. Αυτό το στέντ μπορεί να επεκταθεί τόσο στην ακτινική όσο και στη διαμήκη κατεύθυνση και να βελτιστοποιηθεί για συγκεκριμένη διάμετρο και μήκος αγγείου ώστε να δημιουργήσει έναν ορισμένο όγκο λούμιν, ελαχιστοποιώντας την αρνητική επίδραση του στέντ στον τοίχο του αγγείου.
Τα αουξετικά υλικά έχουν επίσης αποδειχθεί χρήσιμα σε άλλες ιατρικές εφαρμογές, όπως στελέχη εμφυτευμάτων ισχίου, στερέωση μακρών οστών, καρδιακές επιθέματα, ιγνοσκόπια ρινικής οφθαλμικής κοιλότητας, ορθοπεδικές σόλες και άλλα. Είναι επίσης πολύτιμα στη βιομηχανική ιστών και στην κατασκευή δομών και μεμβρανών για ιατρικές συσκευές in‑vitro.
Αουξετικά Υλικά στη Μηχανική Οχημάτων
Πρόσφατες έρευνες έχουν δείξει ότι τα αουξετικά υλικά και δομές μπορούν να προσφέρουν μια ανώτερη μέθοδο σχεδίασης που βελτιώνει τα χαρακτηριστικά απορρόφησης ενέργειας των παραδοσιακών εντόνων σωλήνων λεπτών τοίχων και των κουτιών απορρόφησης ενέργειας.
Αυτές οι δομές θα είχαν μεγαλύτερη ακαμψία, πλεονέκτημα στην απορρόφηση ενέργειας κατά μέτριας ταχύτητας σύγκρουσης και μεγαλύτερο χρόνο απορρόφησης της ενέργειας της σύγκρουσης καθώς και της διαδικασίας επιτάχυνσης‑αποσυμπίεσης των επιβατών. Επίσης, σημειώνουν υψηλές επιδόσεις όσον αφορά την ικανότητα απορρόφησης ενέργειας, την αποδοτικότητα απορρόφησης ενέργειας και άλλους δείκτες απόδοσης.
Ένας από τους ερευνητές σε αυτόν τον τομέα πρότεινε συγκεκριμένα έναν εντόνο που αποτελείται από μια αουξετική δομή σάντουιτς δοκού και έναν συνδυασμό μπλοκ απορρόφησης ενέργειας, βελτιστοποιημένο με έναν πολυ-στόχο αλγόριθμο, ο οποίος βελτίωσε την αντοχή του οχήματος σε πρόσθια σύγκρουση.
Αουξετικά Υλικά στη Μηχανική Προστασίας
Η χρήση αουξετικών δομών στη μηχανική προστασίας προέκυψε από την υψηλή απορρόφηση ενέργειας, τη βελτιωμένη αντοχή σε εντύπωση συμπίεσης και τις ενισχυμένες ιδιότητες αντοχής σε διάτμηση.
Η έρευνα βοήθησε στην εύρεση αουξετικών δομών πλέγματος κυψελών σάντουιτς που θα μπορούσαν να προστατεύσουν τη δομή ενισχυμένου σκυροδέματος από σοβαρές επιπτώσεις και φορτία κοντινών εκρήξεων.
Επιπλέον, κυλινδρικοί πάνελ σάντουιτς με αουξετικό αποτέλεσμα είχαν ισχυρότερες ιδιότητες αντοχής σε έκρηξη, και θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την αποδοτική σχεδίαση ανθεκτικών περιβλήματος αεροσκαφών, διαστημοπλοίων, υποβρύχιων θωρακών, δεξαμενών καυσίμων, καταφυγίων ορυχείων άνθρακα και άλλων κυρτών δομών.
Αουξετικά Υλικά στη Μηχανική Ενδυμάτων
Η ιδιότητα εγκάρσιας επέκτασης των αουξετικών υλικών υπό φορτίο βοηθά στη δημιουργία διπλών καμπυλών κατά την κάμψη. Αυτή η ιδιότητα επιτρέπει στα ενδύματα που κατασκευάζονται από αυτά τα υλικά να προσαρμόζονται στις μεταβαλλόμενες καμπύλες του ανθρώπινου σώματος κατά τη κίνηση. Η έρευνα δείχνει ότι τα αουξετικά υφάσματα για ενδυμασία εγκυμοσύνης παρουσιάζουν χαμηλότερη συγκέντρωση τάσης σε σύγκριση με τα παραδοσιακά αντίστοιχα. Είναι επίσης άνετα στη χρήση.
Αυτή η ευρεία γκάμα δυνατοτήτων εφαρμογής έχει οδηγήσει σε αυξημένη ζήτηση για αουξετικά υλικά. Για να καλυφθεί αυτή η αυξανόμενη ζήτηση, οι ερευνητές έχουν αναπτύξει μια τρι‑βήμα συνταγή για τον σχεδιασμό αουξετικών υλικών κατόπιν ζήτησης.
Μια Τρι‑Βήμα Διαδικασία για τη Δημιουργία Αουξετικών Υλικών Κατόπιν Ζήτησης
Οι ερευνητές στο Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST) και το Πανεπιστήμιο του Σικάγο έχουν καταβάλει συντονισμένες προσπάθειες για την επιτάχυνση της εισαγωγής στην αγορά αουξετικών προϊόντων.
Πιο συγκεκριμένα, αυτοί οι ερευνητές έχουν αναπτύξει ένα αλγοριθμικό εργαλείο που βοηθά στον ακριβή τρισδιάστατο σχεδιασμό των αουξετικών. Σύμφωνα με τον συν‑συγγραφέα της μελέτης, Edwin Chan, ερευνητή υλικών από το NIST:
“Μπορούμε πραγματικά να βελτιστοποιήσουμε το υλικό ώστε να έχει τις συγκεκριμένες μηχανικές ιδιότητες και συμπεριφορά που θέλουμε.”
Οι ερευνητές παρουσίασαν στον κόσμο ένα ενοποιημένο πλαίσιο για την περιγραφή δισδιάστατων τέλειων αουξετικών. Αυτή η παρουσίαση είναι αποτέλεσμα μιας μεγαλύτερης συνειδητοποίησης ότι η κατανόηση και ο έλεγχος του τέλειου ορίου αουξετικότητας θα μπορούσαν να μας επιτρέψουν να σχεδιάζουμε λογικά ρεαλιστικά αουξετικά με προσαρμοσμένη γεωμετρική δομή, για την οποία ο λόγος Poisson παραμένει αρνητικός.
Καθώς επεξεργάζονταν τη μεγαλύτερη σημασία της μελέτης τους, οι ερευνητές δήλωσαν τα εξής:
“Η θεωρία μας όχι μόνο ενοποιεί μια μεγάλη κλάση υπαρχόντων αουξετικών, περιλαμβάνοντας προηγούμενα συστήματα άκαμπτων μονάδων αουξετικών, αλλά επίσης επιτρέπει τη δημιουργία μιας μεγάλης ποικιλίας αυτών, με νέες και διαφορετικές γεωμετρίες, συμπεριλαμβανομένου του κάπως ακαταμάχητου ισοτροπικού αουξετικού υλικού.”
Δεδομένου ότι οι ερευνητές ενδιαφέρονταν να κατανοήσουν τη συμπεριφορά των τέλειων αουξετικών, χρησιμοποίησαν το ελάχιστο δισδιάστατο μοντέλο για περιστρεφόμενες μονάδες. Οι μονάδες αποτελούνταν από μια σειρά πολυγώνων συνδεδεμένων με ελατήρια μηδενικού φυσικού μήκους. Κάθε άκαμπτη μονάδα είχε τρεις βαθμούς ελευθερίας: δύο μεταφορικούς και έναν περιστροφικό. Αυτό το μοντέλο βοήθησε στην επιβεβαίωση της εμφάνισης της αουξετικής «floppy» λειτουργίας και εισήγαγε ελαστικότητα στα υλικά ώστε να μελετηθούν επίσης μη ιδανικά σενάρια.
Το αποτέλεσμα της επιστημονικής διερεύνησης ήρθε με τη μορφή μιας συνταγής που θα βοηθούσε στην κατασκευή τέλειων αουξετικών. Θα απαιτούσε τρία συστατικά:
- Ένα διμερές δίκτυο θα επέτρεπε στις μονάδες να αντι‑περιστρέφονται μεταξύ τους.
- Αρχικά και σε ηρεμία, κάθε ζεύγος γειτονικών πολυγώνων και το κορυφαίο σημείο μεταξύ τους πρέπει να είναι συνευθειακά.
- Η αναλογία μεταξύ της απόστασης ενός πολυγώνου προς μία από τις κορυφές του και της απόστασης του γειτονικού πολυγώνου προς την ίδια κορυφή πρέπει να είναι σταθερή στο δίκτυο.
Οι ερευνητές τονίζουν ότι η μοναδικότητα της θεωρίας τους έγκειται στο γεγονός ότι δεν περιορίζεται σε πλέγματα και μπορεί να εφαρμοστεί άμεσα σε ακατάστατα δίκτυα. Αυτό επιτρέπει την κατασκευή των πρώτων ισοτροπικών τέλειων αουξετικών υλικών. Οι ερευνητές είναι επίσης χρήσιμοι στο ότι η θεωρία τους θα μπορούσε να επεκταθεί σε τρισδιάστατα πολυεδρικά υλικά.
Παρόλο που αυτή η έρευνα αποτελεί ένα ορόσημο, η εργασία πάνω στα αουξετικά υλικά συνεχίζεται εδώ και αρκετό καιρό. Στα επόμενα τμήματα, θα εξετάσουμε εταιρείες που έχουν πραγματοποιήσει πρωτοποριακή εργασία σε αυτά.
#1. Nike
Μία από τις κορυφαίες μάρκες που έχουν πραγματοποιήσει εξειδικευμένη εργασία σε αυτόν τον χώρο των αουξετικών δομών είναι η Nike. Η πατέντα της Nike αριθ. US9402439B2 αφορά αουξετικές δομές που διευκολύνουν την κατασκευή σόλων με αουξετικές δομές.
Συνήθως, τα υποδήματα περιλαμβάνουν τουλάχιστον δύο κύρια στοιχεία:
- Ένα άνω μέρος που παρέχει το περίβλημα για το πόδι του χρήστη
- Μια σόλα στερεωμένη στο άνω μέρος που λειτουργεί ως η κύρια επαφή με το έδαφος ή την επιφάνεια παιχνιδιού
Η σόλα μπορεί να περιλαμβάνει τρία υποτμήματα: εσωτερική σόλα, μεσαία σόλα και εξωτερική σόλα. Στο πατενταρισμένο υποδήμα της Nike, τουλάχιστον ένα στρώμα της σόλας είναι κατασκευασμένο από αουξετική δομή. Αυτό αναφέρεται ως η αουξετική στρώση.
Το τρέξιμο, η στροφή, το άλμα ή η επιτάχυνση με αυτά τα παπούτσια θέτει την αουξετική στρώση υπό αυξημένη διαμήκη ή πλάγια τάση, αυξάνοντας το μήκος και το πλάτος της. Έτσι, παρέχει βελτιωμένη πρόσφυση και απορροφά μέρος των επιπτώσεων της επιφάνειας παιχνιδιού.
Η Nike πιστεύει ότι αυτά τα παπούτσια μπορεί να αποδειχθούν ωφέλιμα για μια σειρά αθλημάτων και ψυχαγωγικών δραστηριοτήτων, συμπεριλαμβανομένου του τένις και άλλων αθλήσεων με ρακέτες, του περπατήματος, του τζόκινγκ, του τρεξίματος, της πεζοπορίας, του χάντμπολ, της προπόνησης, του τρεξίματος ή του περπατήματος σε διάδρομο, και ομαδικών αθλημάτων όπως το μπάσκετ, το βόλεϊ, το λόκρος, το χόκεϊ επί χόρτου και το ποδόσφαιρο.
NKE Διάγραμμα τιμής
Για το πλήρες οικονομικό έτος 2023, η Nike ανέφερε έσοδα 51,2 δισεκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ, αύξηση 10 τοις εκατό σε σύγκριση με το προηγούμενο έτος και αύξηση 16 τοις εκατό σε νομισματικά ουδέτερο επίπεδο.
#2. Airbus
Η Airbus Defence and Space έλαβε πατέντα για μια παραμορφώσιμη αουξετική δομή και διαδικασία κατασκευής. Η εφεύρεση στοχεύει στην παροχή ελαφριάς προστασίας κατά των υψηλής ενέργειας επιπτώσεων στα αεροπορικά αεροσκελεία και συστήματα μέσω ενός ενιαίου ενσωματωμένου πάνελ σάντουιτς που αξιοποιεί τη δισδιάστατη αουξετική συμπεριφορά στις δύο κατευθύνσεις που σχηματίζουν την επιφάνεια του πάνελ.
Η Airbus υποστηρίζει ότι τέτοια προστασία θα ήταν ιδιαίτερα ωφέλιμη σε υψηλά ενσωματωμένες διαμορφώσεις αεροσκαφών με κινητήρα στο πίσω άκρο, συμπεριλαμβανομένων των αρχιτεκτονικών Open‑Rotor ή Boundary‑Layer Ingestion. Σε αυτές τις διαμορφώσεις, απαιτούνται μέτρα προστασίας (θωράκια) λόγω ανησυχιών ασφαλείας για υψηλής ενέργειας επιπτώσεις στο αεροπλοϊκό σκάφος από απελευθέρωση λεπίδας προπέλας (PBR) και απορρίμματα κινητήρα (αποτυχία περιορισμένης περιστροφής κινητήρα, μικρό θραύσμα και τρίτο δίσκο).
Η δομή διαθέτει μια αουξετική διάταξη που αποτελείται από πληθώρα διασυνδεδεμένων τρισδιάστατων αουξετικών κυττάρων. Αυτός ο σχεδιασμός εξασφαλίζει ότι, ανεξάρτητα από το αν το στοιχείο της επιφάνειας είναι επίπεδο, κυρτό ή αποτελείται από διαφορετικές επίπεδες επιφάνειες, η προκύπτουσα δομή θα επιτύχει αουξετική συμπεριφορά σε κάθε μία από αυτές τις επίπεδες. Επιπλέον, θα εμφανίζει αουξετική συμπεριφορά σε περισσότερες από μία διαστάσεις κάθετες στην κύρια κατεύθυνση της πρόσκρουσης.
Το 2023, η Airbus κατέγραψε έσοδα άνω των 65 δισεκατομμυρίων ευρώ, σημαντική αύξηση σε σχέση με τα 58,8 δισεκατομμύρια ευρώ που κέρδισε το 2022.
Δημιουργία Αουξετικών Υλικών: Πώς Φαίνεται το Μέλλον
Η έρευνα που άνοιξε τη συζήτησή μας θα μπορούσε να επιτύχει πολλές καινοτομίες. Θα μπορούσε να προσφέρει ένα απλό προς ακολούθηση μοντέλο για τη δημιουργία, το σχεδιασμό και την χαρακτηριστική ανάλυση των αουξετικών μονάδων περιστροφής. Τα μοντέλα που επικύρωσαν τη θεωρία ήταν ισχυρά για απλή προσομοίωση της δοκιμής ιδιοτήτων υλικού ενώ αγνοούσαν τις δυνάμεις κάμψης. Ωστόσο, τα μοντέλα ήταν προσαρμόσιμα ώστε να περιλαμβάνουν κάμψη εάν χρειαστεί. Η εργασία οδήγησε στην καθιέρωση των βασικών κανόνων για τη δημιουργία αουξετικών τέλειων ισοτροπικών υλικών που δεν είχαν ξαναδεί. Το μόνο που απαιτούσε ήταν περισσότερη έρευνα στην δυναμική και την ανάλυση δονήσεων.
Ενώ η έρευνα και η εξερεύνηση είναι μια αέναη διαδικασία στην επιστήμη και την τεχνολογία, πρέπει να υπάρξει περισσότερη διερεύνηση της βιωσιμότητας των αουξετικών υλικών ως ενίσχυση, ιδιαίτερα για εφαρμογές που φέρουν φορτία. Απαιτούνται υπερβολικές παραμορφώσεις για να ενεργοποιηθούν τα πλεονεκτήματα που προέρχονται από την αουξετικότητα. Αυτές οι παραμορφώσεις θα μπορούσαν να υπερβούν τα όρια εξυπηρετησιμότητας που ορίζονται για δομικά στοιχεία σε στατικό φορτίο. Σε αυτό το πλαίσιο, οι ερευνητές έχουν επισημάνει την ανάγκη για προσαρμοσμένα σχέδια που ικανοποιούν τόσο τις απαιτήσεις αντοχής όσο και τις απαιτήσεις άκαμψης.
Στον τομέα των βιοϊατρικών εφαρμογών, προκύπτει η ανάγκη για 3D αουξετικά, τα οποία μπορούν να επιτευχθούν μόνο μέσω διαδικασιών προσθετικής κατασκευής. Αυτές οι διαδικασίες πρέπει να ενισχυθούν ώστε να εξασφαλιστεί η μακροπρόθεσμη απόδοση των ιατρικών συσκευών. Η διαδικασία δημιουργίας αουξετικών με βάση προηγμένους αλγόριθμους θα μπορούσε να είναι χρήσιμη σε αυτές τις περιπτώσεις, καθώς οι περισσότερες προσθετικές τεχνολογίες οδηγούν σε εγγενώς ανισοτροπικά αποτελέσματα λόγω της διαδικασίας στρώμα‑με‑στρώμα, που μπορεί να επηρεάσει την μηχανική απόδοση των λύσεων.
Ενώ αυτές οι προκλήσεις παραμένουν, οι ερευνητές είναι αισιόδοξοι ότι ορισμένες από τις μελλοντικές τάσεις, εάν κλιμακωθούν επιτυχώς, θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε πιο ενθουσιώδη υιοθέτηση των αουξετικών. Τέτοιες τάσεις περιλαμβάνουν τη δημιουργία συνεργειών μεταξύ 4D εκτύπωσης και αουξετικών γεωμετριών, την κατασκευή υλικών μνήμης σχήματος και μηχανισμών, κ.λπ.
Τα αουξετικά μπορεί επίσης να βρουν αυξημένη χρήση σε βιουβριδικά υλικά, όπου ένα αουξετικό σκελετό που αποικίζεται από κύτταρα μπορεί να οδηγήσει σε πιο αυτόνομους ενεργοποιητές. Σύμφωνα με τους ερευνητές, αυτά τα υλικά είναι ικανά να υπερβούν τα τρέχοντα διαθέσιμα «έξυπνα», ενεργά ή πολυλειτουργικά υλικά και δομές.
Ένα από τα κύρια παραδείγματα χρήσης των βιουβριδών είναι η μορφή μικρορομπότ που διαθέτουν αουξετικό σκελετό και μηχανισμούς που λειτουργούν από ζωντανά κύτταρα. Αυτές οι λύσεις, ιδιαίτερα τα ηλεκτρικά ερεθίσματα‑ενεργοποιημένα καρδιομυοκύτταρα ή μυοσκελετικά κύτταρα, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως χειρουργικοί ενεργοποιητές στο μέλλον.
Συνολικά, τα αουξετικά μας προσφέρουν ένα πεδίο ευκαιριών. Το μόνο που χρειάζονται είναι περισσότερη έρευνα και πόροι για την κλιμάκωση και την παροχή εφικτών λύσεων που διαρκούν πολύ καιρό.
