Metamaterial mecatronic se auto-organizează într-un ritm unic, rezistent la perturbații aleatorii
Cercetătorii au dezvoltat un material capabil să își coordoneze mișcarea până când întreaga structură pulsează în unison, deschizând calea către roboți multifuncționali care se comportă mai degrabă ca sistemele vii. Rezultatele au fost publicate în revista Nature, într-un studiu realizat de ingineri de la Universitatea din Birmingham împreună cu universitățile din Amsterdam, Lyon, Delft, Leiden și Cambridge.
Materialul experimental este un metamaterial mecatronic care se comportă ca un „cristal temporal” — o formă neobișnuită de materie în care particulele se mișcă continuu în cicluri regulate și repetitive. În acest caz, însă, „particulele” nu sunt atomi sau molecule, ci roboți. Structura combină elemente elastice, senzori, componente electronice și actuatoare, astfel încât componentele vecine se pot influența reciproc.
Ingredientul cheie pentru obținerea stării de cristal temporal a fost transformarea interacțiunilor dintre componente în unele „nereciproce”, ceea ce înseamnă că răspunsul unei componente la alta nu trebuie să fie oglindit în sens invers. Atunci când reciprocitatea a fost încălcată, vibrațiile individuale au apărut inițial la lungimi de undă scurte, pentru ca apoi să crească progresiv în lungime de undă, perioadă și amplitudine, conducând la o stare sincronizată global. Cercetătorii descriu acest proces drept „coarsening de undă”.
„Cercetarea noastră este un exemplu frumos despre ce ne poate învăța robotica despre fizică și invers”, a declarat Jack Binysh, coautor principal al studiului, de la Universitatea din Birmingham. El a comparat fenomenul cu muzicienii care găsesc treptat același ritm: părțile individuale ale unui material activ își pot organiza mișcările până când întreaga structură se mișcă împreună.
Vibrații mici transformate în ritmuri comune
Echipa a construit mai întâi un material bidimensional de tip fagure, alcătuit din 37 de unități active. Când acestea au fost împinse dincolo de un prag de stabilitate, unitățile individuale au început să auto-oscilze la aproximativ 30 Hz. Treptat, undele mai lungi au ajuns să domine, până când întregul material a oscilat colectiv. Ulterior, cercetătorii au construit un inel elastic cu 24 de unități motorizate. La început au apărut modele de deformare de înaltă frecvență în jurul inelului, care s-au combinat progresiv în modele mai mari, până când inelul a ajuns la un ciclu colectiv lent.
Experiments și modelarea au arătat că perturbațiile aleatorii nu distrug ordinea colectivă pe măsură ce dimensiunea materialului crește — modelul repetitiv este foarte stabil. Coautorul Jonas Veenstra, fost doctorand la Amsterdam și în prezent cercetător postdoctoral la ENS Lyon, a explicat că echipa ia în considerare și posibilitatea ca un singur material să susțină mai multe modele stabile de mișcare, care ar putea fi comutate pentru funcții robotice distincte, cum ar fi o schimbare de formă sau o direcție de deplasare diferită.
„În loc să proiectăm o structură separată pentru fiecare sarcină, am putea folosi diferitele moduri ale unui singur material pentru a obține comportamente diferite, ceea ce ar duce la roboți remarcabil de simpli, dar foarte multifuncționali”, a spus Veenstra. Obiectivul este o formă de robotică inspirată din biologie, în care comportamentul coordonat emerge din interacțiuni proiectate cu grijă între elementele constitutive, nu din instrucțiuni venite de la un controler central.
Cercetarea a pornit în grupul condus de Corentin Coulais la Amsterdam, iar metamaterialele experimentale au încorporat peste 100 de senzori și actuatoare, alături de componente imprimate 3D și actuatoare Lorentz realizate la comandă, care convertesc energia electrică în mișcare mecanică. „La fel ca materialele în sine, echipa de cercetare care le-a produs a fost formată din multe părți mobile și care interacționează”, a declarat Coulais, menționând sprijinul centrului tehnologic al universității din Amsterdam și efortul studenților care au asamblat structurile, fiecare actuator necesitând peste 20 de puncte de lipire.
Echipa își propune să dezvolte materiale active tridimensionale, care ar putea oferi mai multe modalități de interacțiune între componente, inclusiv forfecare, îndoire și răsucire. Cercetătorii speră să înțeleagă cum se comportă coarseningul de undă în trei dimensiuni și cum ar putea fi valorificat pentru a controla schimbările de formă ale materialelor autoportante.
