Дослідники створили роботизований матеріал, що трансформується, як живий організм
Натхненні ембріонами, ці дископодібні роботи використовують магніти, мотори та світло, щоб змінювати свій стан від жорсткого до рідкого. У підсумку вийшла самовідновлювана система, що змінює форму, яка може змінити уявлення про створення і використання матеріалів.
Роботи, що поводяться як матеріали
«Ми знайшли спосіб змусити роботів поводитися як матеріал», — зазначив Метью Девлін, колишній аспірант лабораторії професора механічної інженерії UCSB Елліота Хоукса та головний автор дослідження, опублікованого в журналі Science 20 лютого. Ці роботи являють собою автономні дископодібні одиниці, схожі на шайби, які можуть збиратися у різні форми з різною жорсткістю.
Одним із головних викликів було створення матеріалу, що може бути і жорстким, і здатним текти, змінюючи форму. «Роботизовані матеріали повинні мати можливість утримувати форму, але також вибірково змінювати її», — пояснив Хоукс. Раніше такі колективні роботи були занадто жорстко з’єднані, щоб легко змінювати конфігурацію, але тепер це стало можливим.
Натхнення у природі: ембріони як ідеальні «розумні матеріали»
Дослідники звернулися до ембріонального розвитку, спираючись на роботу Отгера Кампаса, колишнього професора UCSB, нині директора PoL у Дрезденському технічному університеті.
«Живі ембріональні тканини — це ідеальні розумні матеріали», — пояснив Кампас. «Вони можуть самоформуватися, самовідновлюватися і контролювати свою жорсткість у просторі та часі».
Його лабораторія раніше виявила, що ембріони можуть тимчасово пом’якшуватися — подібно до розплавленого скла — для формування остаточної структури організму.
Три основні біологічні процеси, які дослідники спробували відтворити:
- активні сили між клітинами, які дозволяють їм рухатися;
- біохімічні сигнали, що координують цей рух;
- здатність клітин прилипати одна до одної, що визначає жорсткість кінцевої структури.
Магніти та мотори: ключ до зміни форми
У роботах функцію клітинної адгезії виконують магніти, розташовані по краях одиниць. Вони дозволяють роботам зчіплюватися, утворюючи жорстку структуру. Додаткові сили генеруються завдяки восьми моторизованим шестерням по периметру кожного робота. Модулюючи ці сили, дослідники змогли зробити так, щоб колективні роботи змінювали форму, хоча спочатку вони були повністю жорсткими.
Як роботи отримують команди? Світло як система навігації
Роль біохімічної сигналізації виконує глобальна координатна система. У природі клітини знають, де їхня «голова» і «хвіст», що допомагає їм рухатися правильно. У роботах це досягається за допомогою світлових сенсорів з поляризованими фільтрами. Коли на них світить світло, його поляризація підказує, в якому напрямку обертати шестерні.
«Достатньо освітити всю групу одночасно, і вони самі перебудуються відповідно до заданої форми», — пояснив Девлін.
Розумний матеріал, що адаптується та самовідновлюється
Поєднання всіх цих технологій дозволило дослідникам створити матеріал, який може:
✔ змінювати жорсткість, стаючи то рідким, то твердим;
✔ витримувати значні навантаження;
✔ маніпулювати об’єктами;
✔ самовідновлюватися.
Наразі система складається з 20 великих одиниць, але дослідження, проведене Санву Кімом у лабораторії Кампаса, показало, що технологію можна масштабувати до тисяч мініатюрних роботів, здатних формувати довільні структури.
Від наукової фантастики до реальності
Крім робототехніки, ця технологія може допомогти у фізиці (дослідження активної матерії) та біології (вивчення колективної поведінки клітин). Поєднання таких роботизованих матеріалів із штучним інтелектом може відкрити шлях до створення нових матеріалів майбутнього, які виглядають як щось із наукової фантастики, але стають реальністю.