“Swarmalation” используется для разработки активных материалов для саморегулирующихся мягких роботов.


Во время роения птиц или рыб каждая сущность координирует свое местоположение относительно других, так что рой движется как одна большая, связная единица. С другой стороны, светлячки координируют свое временное поведение: в группе они в конечном итоге все мигают одновременно и, таким образом, действуют как синхронизированные осцилляторы.

Однако немногие объекты координируют как свои пространственные движения, так и внутренние часы времени; ограниченные примеры называются «рояляторами» 1, которые одновременно роятся в пространстве и колеблются во времени. Японские древесные лягушки являются образцами рояляторов: каждая лягушка меняет свое местоположение и скорость кваканья относительно всех остальных лягушек в группе.

Кроме того, лягушки меняют форму, когда квакают: воздушный мешок под их ртом надувается и сдувается, издавая звук. Это скоординированное поведение играет важную роль во время спаривания и, следовательно, жизненно важно для выживания лягушек. В синтетической сфере почти нет систем материалов, где отдельные единицы одновременно синхронизируют свою пространственную сборку, временные колебания и морфологические изменения. Такие высоко самоорганизующиеся материалы важны для создания самоходных мягких роботов, которые собираются вместе и совместно изменяют свою форму для выполнения регулярной, повторяющейся функции.

Инженеры-химики из инженерной школы Университета Питтсбурга Суонсон разработали систему автоколебательных гибких материалов, которые демонстрируют характерный режим динамической самоорганизации. В дополнение к тому, что они демонстрируют поведение рояляторов, материалы компонентов взаимно адаптируют свои общие формы, когда они взаимодействуют в камере, заполненной жидкостью. Эти системы могут проложить путь к созданию совместных, саморегулирующихся мягких роботизированных систем.

Исследование группы было опубликовано на этой неделе в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences . Главный исследователь – Анна К. Балаш, заслуженный профессор химической и нефтяной инженерии, кафедра инженерии Джона А. Свенсона. Ведущий автор – Радж Кумар Манна, соавтор – Олег Э. Шкляев, оба аспиранты.

«Автоколебательные материалы преобразуют непериодический сигнал в периодическое движение материала», – пояснил Балаш. «Используя наши компьютерные модели, мы сначала разработали гибкие листы микронных и миллиметровых размеров в растворе, которые реагируют на непериодический ввод химических реагентов, спонтанно претерпевая колебательные изменения в положении, движении и форме. в трехмерную форму, напоминающую волнистый рыбий хвост, который одновременно колеблется взад и вперед по микрокамере “.

Автоколебания гибких листов вызваны каталитическими реакциями в жидкостной камере. Реакции на поверхностях листа и камеры инициируют сложную петлю обратной связи: химическая энергия реакции преобразуется в поток жидкости, который перемещает и деформирует гибкие листы. Структурно развивающиеся листы, в свою очередь, влияют на движение жидкости, которая продолжает деформировать листы.

«Что действительно интригует, так это то, что, когда мы вводим второй лист, мы открываем новые формы самоорганизации между вибрирующими структурами», – добавляет Манна. В частности, два листа образуют связанные осцилляторы, которые взаимодействуют через жидкость, чтобы координировать не только свое местоположение и временные пульсации, но и синхронизировать их взаимные изменения формы. Это поведение аналогично поведению роя лягушек, которые координируют свое относительное пространственное положение и время кваканья, которое также включает периодическое изменение формы лягушки (с надутым или спущенным горлом).

«Сложное динамическое поведение – важнейшая особенность биологических систем», – говорит Шкляев. Вещи не просто собираются вместе и перестают двигаться. Точно так же эти листы собираются в нужное время и в пространстве, чтобы сформировать более крупную сложную динамическую систему. Более того, эта структура является саморегулирующейся и может выполнять функции, которые не может выполнить один лист ».

«Для двух или более листов коллективными временными колебаниями и пространственным поведением можно управлять, изменяя размер разных листов или рисунок каталитического покрытия на листе», – говорит Балаш. Эти изменения позволяют контролировать относительную фазу колебаний, например, генераторы могут двигаться синфазно или противофазно.

«Это очень впечатляющие результаты, потому что 2D-листы автоматически трансформируются в 3D-объекты, которые спонтанно преобразуют неосциллирующий сигнал в« инструкции »для формирования более крупного агрегата, форма и периодическое движение которого регулируются каждой из его движущихся частей. , – отмечает она. «Наши исследования могут в конечном итоге привести к формам вычислений, вдохновленных биологией – так же, как связанные генераторы используются для передачи информации в электронике, – но с самоподдерживающимся, саморегулирующимся поведением».

Видео: https://www.youtube.com/watch?v=89Y9lVlEaBs


Добавить комментарий