由海豚啁啾启发技术可以提高软质材料的测试



当变形的软质材料,如橡皮泥,其属性的变化取决于你如何快速拉伸和挤压它。如果你离开腻子在一个小玻璃,它最终会散开状的液体。如果你把它慢慢地,它会薄和下垂状粘稠的太妃糖。如果你很快就可以抽出,将橡皮泥将捕捉就像一个易碎的,实心棒。

在酪蛋白凝胶(酸奶),该研究人员能够在整个凝胶化过程使用新owch技术来表征的乳蛋白质网络的高分辨率电子SEM图像。研究人员礼貌

科学家们使用各种手段来拉伸,挤压,扭动柔软材料,以精确表征其强度和弹性。但通常,这样的实验顺序进行,这可以是耗时的。

现在,通过在蝙蝠的回声定位和海豚使用的声音序列的启发,澳门银河网游的工程师已经设计,大大提高了系统的速度和测量软质材料的属性的精度的技术。该技术可以使用,因为它们随时间而改变,以测试干燥水泥,凝血的血液,或任何其他“突变”软质材料的性质。研究人员今天报告其结果在该杂志 物理复习X。

“这种技术可以在许多行业中,[这不会]不得不改变既定手段来得到他们的工艺和材料的一个更好的,准确的分析帮助,” bavand keshavarz,机械工程的澳门银河网游的部门的博士后说。

“例如,该协议可以用于宽范围的软质材料,从唾液,这是粘弹性和粘性,对材料硬水泥”,增加了研究生MICHELA杰瑞哈莉。 “他们都可以随时间变化迅速,并快速准确地表征其性能是非常重要的。”

杰瑞和keshavarz是在纸上,其中还包括加雷斯·麦金利,教学创新工程教授和澳门银河网游机械工程教授的学校共同作者;国家科学研究中心 - 澳门银河网游联合实验室蒂博divoux;在比利时鲁汶大学的基督教clasen;在威尔士斯旺西大学的丹·柯蒂斯。

 

向着更快的测量速度

该组的新技术改进和扩展了真实通过称为流变仪的仪器捕获的变形的信号。典型地,这些仪器被设计成拉伸和挤压的材料,来回,过小或大的应变,这取决于在一个简单的振荡轮廓的形式,它告诉仪器的马达的速度有多快或者多远变形所发送的信号材料。更高的频率触发电机在流变仪中工作得更快,以更快的速度剪切材料,而较低的频率减慢该变形下来。

该测试软质材料等乐器具有类似的输入信号工作。这些可以包括按工程师编程到仪器的电动机的系统和两个板之间扭转的材料,或搅拌的材料在容器中,在由所述频率轮廓确定的速度和力。

迄今为止,用于测试软性材料最准确的方法已经过了抽出一段做连续的测试。每个测试期间,器械可以,例如,拉伸或在一个单一的低频率,或电机振荡剪切的材料,并且切换到另一个频率之前记录其刚度和弹性。尽管这种技术得到准确的测量结果,可能需要几个小时才能完全表征的单一材料。

振铃啁啾

近年来,研究人员看了加快改变仪器的输入信号和压缩发送到电机频率曲线测试软质材料的过程。

科学家参考这个变短,快,和更复杂的频率分布称为“啁啾”,即产生在雷达和声纳领域频率的类似的结构后 - 和非常广泛,在鸟类和蝙蝠的一些发声。啁啾轮廓显著加速实验测试运行,使仪器在刚刚10至20秒的材料的特性在一定范围的频率或速度,传统上需要大约45分钟进行测量。

但在这些测量中的分析,研究人员发现,从正常的线性调频脉冲,被称为振铃效应的数据伪影,这意味着测量结果不够精确:他们似乎周围的刚度和弹性的预期或实际值振荡或“环”的材料制成,并且这些伪影出现从啁啾的振幅曲线,它类似马达的振荡频率的快速斜坡上升和斜坡下降至干。

“这是当运动员要出门100米短跑没有热身一样,” keshavarz说。

格日,keshavarz,和他们的同事看着优化啁啾简档来消除这些伪影,因此产生更精确的测量,同时保持到同一短的测试时间段。他们研究了雷达和声纳类似的线性调频信号 - 最初在澳门银河网游林肯实验室率先场 - 与最初由鸟类,蝙蝠,和海豚产生啁啾的启发配置文件。

“蝙蝠和海豚发出一个封装的频率范围内类似的线性调频信号,这样他们就可以快速找到猎物,”格日说。 “他们听什么[频率]回来给他们,并已开发的方式与对象的距离关联起来。他们必须这样做非常快速和准确,否则将猎物逃脱“。

球队分析了线性调频脉冲信号和在计算机模拟优化这些配置文件,然后在实验室中施加一定的啁啾型材其流变仪。他们发现,减小振铃效应最的是,仍尽可能短,常规线性调频脉冲信号的频率分布的信号 - 约14秒长 - 但是,斜坡上升逐渐,与变化的频率之间的更平滑的过渡,与原来的线性调频脉冲比较型材,其他研究人员一直在使用。

他们称此新的测试信号的“最佳窗口啁啾,”或owch,对所得到的频率分布,这类似于一个平滑的圆形窗口,而不是尖锐的,矩形的斜坡上升和斜坡下降的形状。最终,这种新技术命令的电动机伸展并以更渐进的,平滑的方式挤压的材料。

球队在各种粘弹性液体和凝胶,开始用实验室标准聚合物溶液采用传统的,较慢的方法,传统的线性调频脉冲轮廓,以及它们的新的配置文件owch它们表征实验室测试他们的新啁啾轮廓。他们发现他们的技术产生的,几乎完全匹配与精确但较慢的方法的测量结果。他们的测量结果也是100倍产生什么传统的线性调频方法更准确。

研究人员说,他们的技术可以被应用到任何现有仪器或设备设计用于测试软质材料,并且它将显著加速实验测试过程。他们还提供了一个开源软件包,研究人员和工程师可以用它来帮助他们分析自己的数据,以快速表征任何软,不断发展的材料,从血液凝结和干燥的化妆品,以凝固的水泥。

“很多材料在自然界和工业,消费producs和我们的身体,在相当快的时间尺度的变化,” keshavarz说。 “现在我们可以监测这些材料的响应,因为它们改变,在一个宽的频率范围内,并且在很短的时间周期”。

这项研究是通过MIT能源initiave并通过从宝洁的礼物支持,部分由雪佛龙。