Come imitare il movimento a molla naturale senza perdite di energia cinetica

Le Venus Flytrap (o Venere Acchiappamosche) lo fanno, le formiche trap-jaw lo fanno, e ora possono farlo anche gli scienziati dell’Università del Massachusetts: hanno scoperto un modo per convertire in modo efficiente l’energia elastica di una molla in energia cinetica per un’accelerazione elevata come in natura. Nella fisica dei sistemi creati dall’uomo e di molti sistemi naturali, convertire l’energia da una forma all’altra di solito significa perdere molta di quell’energia. A quanto pare i ricercatori hanno però scoperto un nuovo meccanismo che aiuta a ridurre al minimo tali perdite. I dettagli sono in Physical Review Letters.

Usando l’imaging ad alta velocità, gli scienziati hanno misurato nei minimi dettagli il movimento di rinculo, o scatto, delle bande elastiche che possono raggiungere accelerazioni e velocità simili a molti dei sistemi biologici naturali che li hanno ispirati. Sperimentando con diverse conformazioni di bande elastiche, hanno scoperto un meccanismo per imitare eventi impulsivi ad alta potenza e movimento rapido di formiche e acchiappamosche con una perdita di energia minima.

Il segreto è l’aggiunta di fori ellittici nell’elastico

Nelle osservazioni e negli esperimenti degli scienziati sono state scoperte le condizioni sottostanti in cui l’energia è più conservata e presenta alcune teorie ed equazioni per supportare le loro conclusioni. La ricerca ha rivelato che le strutture geometriche interne all’interno di una molla svolgono un ruolo centrale importante nel migliorare il processo di conversione dell’energia per i movimenti ad alta potenza. Il segreto si è rivelato essere l’aggiunta di fori ellittici posizionati strategicamente, non circolari, all’elastico. Ha rallentato l’azione per osservare il movimento di scatto in un polimero sintetico che agisce come un elastico.

Tutto sta nella progettazione di un modello di fori. Quando le bande semplici vengono allungate e riavvolte, meno del 70% dell’energia immagazzinata viene imbrigliata per il movimento ad alta potenza, il resto viene perso. Al contrario, l’aggiunta di pori trasforma le bande in meta-materiali meccanici che creano movimento attraverso la rotazione. I ricercatori hanno dimostrato che con i meta-materiali, più del 90% dell’energia immagazzinata viene utilizzata per guidare il movimento. Questo dimostra che è possibile modificare le proprietà dei materiali.

Gli scienziati sperano che questo progresso aiuterà i robotisti a progettare sistemi robotici cinetici rapidi e ad alta efficienza. La nuova teoria apre molte nuove idee e domande su come guardare alla biologia, come sono strutturati i tessuti o come i loro gusci sono configurati per consentire la rotazione che risulta essere la chiave di questo studio.