Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các thiết bị thu nhỏ, đáng chú ý là các thiết bị phình ra từ các bề mặt 2D như thiệp chúc mừng bật lên, đã liên tục tìm đường vào các công nghệ cảm biến áp suất và thu năng lượng vì khả năng thường xuyên bị kéo căng, nén hoặc xoắn. Mặc dù khả năng chịu lực của chúng, vẫn chưa rõ liệu căng thẳng vật lý lặp đi lặp lại có thể làm hỏng hoạt động của các thiết bị thu nhỏ này hay không, đặc biệt là nếu đã có một khiếm khuyết trong quá trình xây dựng của chúng.
Các thiết bị thu nhỏ, đáng chú ý là các thiết bị phình ra từ các bề mặt 2D như thiệp chúc mừng bật lên, đã liên tục tìm đường vào các công nghệ cảm biến áp suất và thu năng lượng vì khả năng thường xuyên bị kéo căng, nén hoặc xoắn. Mặc dù khả năng chịu lực của chúng, vẫn chưa rõ liệu căng thẳng vật lý lặp đi lặp lại có thể làm hỏng hoạt động của các thiết bị thu nhỏ này hay không, đặc biệt là nếu đã có một khiếm khuyết trong quá trình xây dựng của chúng.
Sử dụng các cấu trúc cảm biến áp suất nhỏ có hình dạng như bàn, các nhà nghiên cứu của Đại học Texas A & M đã phát hiện ra rằng các lần đẩy lặp đi lặp lại trên bề mặt phẳng của bàn không làm cho các cấu trúc bị vỡ, ngay cả khi lực nén cực mạnh. Thay vào đó, những thiết bị nhỏ bé này, bao gồm cả những thiết bị có “khuyết tật” nhẹ, có khả năng phục hồi, tiếp tục duy trì chức năng bằng cách uốn cong chân theo tỷ lệ với lực được áp dụng.
Các nhà nghiên cứu cho biết những phát hiện của họ được công bố trên tạp chí Extreme Mechanicalics Letters vào tháng 2, có ý nghĩa trực tiếp đến tuổi thọ của các công nghệ kết hợp các thiết bị thu nhỏ, như thiết bị điện tử có thể đeo được, pin mặt trời có thể kéo dài và vớ cảm ứng.
Các thiết bị thu nhỏ như cảm biến áp suất cần truyền tải một cách trung thực sức mạnh và sự thay đổi về lực nén. Đối với nhiều ứng dụng, cảm biến cần phải rất nhỏ để nắm bắt những thay đổi về áp suất ở độ phân giải đủ cao. Do đó, các thiết bị thu nhỏ dựa trên kỹ thuật cắt và gấp giấy của Nhật Bản về kirigami mang đến một giải pháp tuyệt vời.
Mượn các nguyên tắc của kirigami, một thiết kế của thiết bị thu nhỏ lần đầu tiên được khắc trên bề mặt 2D. Sau đó, một cú đẩy vào trong từ ranh giới thiết kế làm cho cấu trúc bật lên. Những lần khác, bản in 2D được kéo dài hoặc xoắn để lộ một thiết kế 3D phức tạp hơn. Bất kể việc sử dụng cuối cùng, các thiết bị dựa trên kirigami phải đối mặt với sự biến dạng liên tục về hình dạng của chúng, một kỹ sư hiện tượng gọi là biến dạng.
Tiến sĩ Andreas A. Polycarpou, giáo sư và trưởng bộ phận tại Khoa Cơ khí của J. Mike Walker chia sẻ: “Một phần của sự hấp dẫn của việc sử dụng các cấu trúc kirigami là chúng có thể bị biến dạng nhiều lần trong thời gian dài. Nhưng bất kỳ loại không hoàn hảo nào trong các cấu trúc này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất cuối cùng của chúng, nghĩa là khả năng của chúng bị biến dạng liên tục.”
Để tìm hiểu làm thế nào các khiếm khuyết có thể ảnh hưởng đến chức năng của các thiết bị kirigami, nhóm của Polycarpou, dẫn đầu bởi Kian Bashandeh, nghiên cứu sinh tại Đại học Kỹ thuật và là tác giả chính của nghiên cứu, đã thiết kế một bộ thí nghiệm sử dụng các cảm biến áp suất nhỏ. Bao gồm một bề mặt phẳng được hỗ trợ bởi bốn chân, các cấu trúc này khóa nếu áp lực được áp dụng từ phía trên.
Đối với nghiên cứu của họ, các nhà nghiên cứu liên tục ấn xuống các cấu trúc giống như bàn bằng đầu dò kim cương phẳng. Mẫu của họ bao gồm các cấu trúc có khuyết tật nhẹ, chẳng hạn như một vết nứt nhỏ ở một trong bốn chân hoặc một chân mỏng hơn một chút.
Để kiểm tra hiệu suất của các cấu trúc này theo thời gian, họ đã ghi lại cách các cấu trúc này hoạt động dưới các lần nén lặp lại bằng kính hiển vi điện tử và đo khoảng cách mà chân uốn cong.
Nhóm của Polycarpou nhận thấy rằng đối với cả cấu trúc kirigami không khuyết tật và khiếm khuyết, việc nén khiến các cấu trúc bị “cứng lại” hoặc chống lại lực hướng xuống. Tuy nhiên, theo thời gian, ngay cả khi lực nén cực lớn, các cấu trúc đã đạt đến trạng thái ổn định và có thể phục hồi sau những cú đánh lặp đi lặp lại từ cú đấm kim cương.
Các nhà nghiên cứu cho biết kết quả của các thí nghiệm nén theo chu kỳ của họ cho thấy các hệ thống lắp ráp các thiết bị kirigami có thể duy trì hoạt động trong một thời gian dài ngay cả khi một số thiết bị bên trong chúng có khiếm khuyết.
Polycarpou kết luận: “Đối với hầu hết các ứng dụng, bao gồm cảm biến áp suất, nó không phải là một mà là nhiều thiết bị thu nhỏ hoạt động song song. Theo trực giác, người ta sẽ nghĩ rằng những khiếm khuyết nhỏ trong bất kỳ cấu trúc kirigami nào sẽ là thảm họa đối với một hệ thống được tạo ra từ nhiều cấu trúc như vậy. Bây giờ chúng tôi có bằng chứng cho thấy rằng họ không. Vì vậy, nếu một người sử dụng vớ thông minh để đo áp suất được phân phối trong dáng đi, kết quả của chúng tôi cho thấy các cảm biến áp suất thu nhỏ vẫn sẽ hoạt động tốt ngay cả khi chúng bị lỗi nhẹ.”
Nguồn truyện:
Vật liệu được cung cấp bởi Đại học Texas A & M University . Bản gốc được viết bởi Vandana Suresh. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :