Перепрограммируемые блоки в стиле Lego имитируют жизненную гибкость

Моушн-дизайн INSIDER

Сяоюэ Ни наблюдает, как роботизированная рыба с перепрограммируемым хвостом плавает в аквариуме. Доказательная демонстрация может привести к созданию материалов с перепрограммируемыми свойствами материала, которые смогут функционировать внутри человеческих тел или электроники. (Изображение:предоставлено исследователями)

Инженеры-механики из Университета Дьюка продемонстрировали экспериментальный метод программирования механических свойств в твердые строительные блоки, подобные LEGO. Контролируя прочность сотен отдельных клеток по определенным шаблонам, этот подход может позволить футуристической робототехнике изменять их механические свойства и функции на лету.

В своих первоначальных испытаниях исследователи показывают, как трехмерный луч в форме хвоста различной конфигурации может перемещать рыбу-робота в воде по разным путям с одинаковой двигательной активностью. Команда предполагает миниатюрные версии технологии, которые могли бы, например, перемещаться по кровеносным сосудам для проверки их состояния или даже переконфигурироваться для формирования адаптивного стента.

«Мы хотим создавать живые материалы», — объяснил Юн Бай, первый автор статьи и доктор философии. студент лаборатории Сяоюэ Ни, доцента кафедры машиностроения и материаловедения в Университете Дьюка. "3D-принтеры могут создавать материалы с определенными механическими свойствами, но для их изменения необходимо повторять печать. Мы хотели создать что-то вроде человеческих мышц, которые могут менять свою жесткость в реальном времени".

Чтобы это произошло, исследователи заполнили отдельные ячейки рецептом галлия и железа. При комнатной температуре этот металлический композит может находиться как в твердом, так и в жидком состоянии. Начав с твердого тела, исследователи могут применять тепло с помощью электрического тока для разжижения любого набора клеток, почти как запись и сохранение единиц и нулей на жестком диске.

В двух измерениях полученный материал по сути представляет собой тонкий лист, который можно запрограммировать на точное изменение жесткости и демпфирования без изменения его формы или геометрии. Материал прошел тщательные испытания и продемонстрировал огромную гибкость, имитируя широкий спектр имеющихся в продаже мягких материалов, от пластика до резины.

Однако эта концепция становится еще более интересной в трех измерениях. В своей демонстрации исследователи создали строительные блоки, похожие на Lego, которые можно склеивать и расклеивать в любой конфигурации. Каждый блок напоминает кубик Рубика, содержащий 27 отдельных ячеек, каждую из которых можно превратить в жидкость за счет локализованного тепла от электрического сигнала. «Это дает нам возможность создавать 3D-структуры с различными механическими свойствами», — сказал Бай. «А замораживание блоков при нуле градусов возвращает все ячейки в твердое состояние, так что их конфигурацию можно перепрограммировать снова и снова».

В статье исследователи соединили 10 таких кубиков вместе в прямую колонну, чтобы создать своего рода программируемый хвост, прикрепили его к простому двигателю роботизированной рыбы и проверили плавательные способности различных конфигураций. Одна и та же рыба-робот с разным расположением твердых клеток в хвосте демонстрировала совершенно разные траектории плавания.

Опираясь на эту платформу, исследователи предполагают использовать разные металлы для создания разных температур замерзания и плавления, что позволит, например, использовать эти материалы в организме человека. Они также полагают, что установку можно миниатюризировать, чтобы она могла работать в крошечных пределах, таких как кровеносные сосуды человека или тонкие электронные системы.

«Наша цель — в конечном итоге построить более крупные системы с использованием композитных материалов», — сказал Ни. «Мы хотим создать гибкие, программируемые материалы для робототехники, которые позволят им выполнять широкий спектр задач в самых разных средах».

Источник