当您使诸如Silly Putty之类的柔软材料变形时，其性能会根据您拉伸和挤压的速度而变化。如果你把腻子放在一个小玻璃杯里，它最终会像液体一样散开。如果你慢慢地拉它，它会变薄并且像粘稠的太妃糖一样下垂。如果你快速猛拉它，那么Silly Putty会像一个脆弱的实心棒一样啪的一声。

科学家们使用各种仪器来拉伸，挤压和扭曲柔软的材料，以精确地表征其强度和弹性。但通常，这种实验是顺序进行的，这可能是耗时的。现在，受到蝙蝠和海豚在回声定位中使用的声音序列的启发，麻省理工学院的工程师们已经设计出一种技术，可以大大提高测量软材料性能的速度和准确性。该技术可用于测试干燥水泥，凝结血液或任何其他“变异”软材料随时间变化的性质。研究人员在物理评论杂志X上报告他们的结果。

麻省理工学院机械工程系的博士后Bavand Keshavarz说：“这种技术可以帮助许多行业，[它们不会]必须改变其既定的仪器，以便更好，更准确地分析其工艺和材料。”“例如，该协议可用于各种软材料，从唾液，粘弹性和粘性，到像水泥一样坚硬的材料，”研究生Michela Geri补充道。“随着时间的推移，它们都可以快速变化，快速准确地表征它们的特性非常重要。”Geri和Keshavarz是该论文的共同作者，其中还包括Gareth McKinley，麻省理工学院工程学院教学创新教授和机械工程教授。CNRS-MIT联合实验室的Thibaut Divoux;KU Leuven的Christian Clasen在比利时;和威尔士斯旺西大学的Dan Curtis。

更快的测量

该组的新技术改进并扩展了被称为流变仪的仪器捕获的变形信号。通常，这些仪器设计用于在小的或大的应变下来回拉伸和挤压材料，这取决于以简单的振荡轮廓形式发送的信号，该信号告诉仪器的马达有多快或多远变形。材料。较高的频率会使流变仪中的电机更快地工作，以更快的速度剪切材料，而较低的频率会减慢此变形速度。

其他测试软材料的仪器使用类似的输入信号。这些系统可以包括在两个板之间挤压和扭曲材料，或者在容器中搅拌材料的系统，其速度和力由工程师编程到仪器电机中的频率曲线确定。到目前为止，测试软材料的最准确方法是在抽出的时间内按顺序进行测试。在每次测试期间，仪器可以例如以单一低频或电机振荡拉伸或剪切材料，并在切换到另一频率之前记录其刚度和弹性。虽然这种技术可以产生精确的测量结果，但完全表征单一材料可能需要数小时。

一阵响亮的唧唧声

近年来，研究人员希望通过改变仪器的输入信号并压缩发送到电机的频率曲线来加速测试软材料的过程。科学家将这种更短，更快，更复杂的频率分布称为“啁啾”，这是在雷达和声纳领域产生的类似频率结构之后 - 而且在鸟类和蝙蝠的某些发声中非常广泛。啁啾曲线显着加速了实验测试运行，使仪器能够在短短10到20秒内测量材料在一定频率或速度范围内的特性，传统上需要大约45分钟。但在对这些测量的分析中，研究人员发现正常啁啾数据中的伪影，称为振铃效应，这意味着测量结果不够准确：它们似乎在刚度和弹性的预期或实际值周围振荡或“振铃”一种材料，这些伪影似乎源于啁啾的振幅曲线，类似于电机振荡频率的快速斜升和斜降。“这就像运动员在不加热的情况下进行100米冲刺时一样，”Keshavarz说。

Geri，Keshavarz及其同事希望优化啁啾轮廓以消除这些伪影，从而产生更准确的测量结果，同时保持相同的短测试时间范围。他们在雷达和声纳领域研究了类似的啁啾信号，这些信号最初是在麻省理工学院林肯实验室开创的 - 其轮廓最初的灵感来自鸟类，蝙蝠和海豚产生的唧唧声。“蝙蝠和海豚发出类似的啁啾信号，包含一系列频率，因此它们可以快速定位猎物，”Geri说。“他们聆听[频率]回到他们身上的信息，并开发出将其与物体距离相关联的方法。他们必须非常快速准确地完成它，否则猎物就会逃脱。”该团队分析了啁啾信号并在计算机模拟中优化了这些曲线，然后将某些啁啾曲线应用于实验室中的流变仪。他们发现降低振铃效应的信号最多的是频率曲线，它仍然像传统的啁啾信号一样短 - 大约14秒长 - 但随着频率的变化逐渐增大，变化频率之间的转换更平滑，与其他研究人员一直使用的原始啁啾曲线。

他们将这个新的测试信号称为“最佳窗口啁啾”或OWCh，用于产生频率轮廓的形状，其类似于平滑的圆形窗口，而不是尖锐的矩形斜升和斜降。最终，新技术命令电机以更平缓，更平滑的方式拉伸和挤压材料。该团队在实验室中测试了他们在各种粘弹性液体和凝胶上的新啁啾谱，从实验室标准聚合物溶液开始，他们使用传统的慢速方法，传统的啁啾轮廓和新的OWCh轮廓进行表征。他们发现他们的技术产生的测量几乎完全匹配准确但较慢的方法。他们的测量结果也比传统的啁啾方法产生的测量精度高100倍。

研究人员表示，他们的技术可以应用于任何现有的用于测试软材料的仪器或设备，它将显着加快实验测试过程。他们还提供了一个开源软件包，研究人员和工程师可以使用它来帮助他们分析数据，快速表征任何柔软，不断变化的材料，从凝结血液和干燥化妆品到凝固水泥。“自然界和工业，消费品和我们身体中的很多材料都会在相当快的时间尺度内发生变化，”Keshavarz说。“现在，我们可以在很短的时间内，在很宽的频率范围内监控这些材料的响应。”