Max Home IndustryВо 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».