Herprogrammeerbare Lego-achtige blokken nabootsen levende flexibiliteit

Motion Design INSIDER

Xiaoyue Ni kijkt naar een robotvis met een herprogrammeerbare staart die in een visaquarium zwemt. Het bewijsmodel kan leiden tot materialen met herprogrammeerbare materiaaleigenschappen die in menselijke lichamen of elektronica kunnen functioneren. (Afbeelding: Met toestemming van de onderzoekers)

Mechanische ingenieurs aan Duke University hebben een proof-of-concept methode gedemonstreerd voor het programmeren van mechanische eigenschappen in vaste Lego-achtige bouwblokken. Door de soliditeit van honderden individuele cellen in specifieke patronen te controleren, kan de benadering toekomstige robotica in staat stellen hun mechanische eigenschappen en functionaliteiten on the fly te veranderen.

In hun initiële tests tonen de onderzoekers aan hoe een staartachtige 3D-balk met verschillende configuraties een robotvis door water kan laten bewegen langs verschillende paden met dezelfde motoractiviteit. Het team voorstelt geminiaturiseerde versies van de technologie die bijvoorbeeld door bloedvaten kunnen manoeuvreren om hun gezondheid te controleren of zelfs zich herconfigureren om een adaptieve stent te vormen.

"We willen materialen maken die levend zijn", legde Yun Bai uit, eerste auteur van het artikel en promovendus in het laboratorium van Xiaoyue Ni, assistent-professor Mechanische Ingenieurswetenschap en Materialenwetenschap aan Duke. "3D-printers kunnen materialen maken met specifieke mechanische eigenschappen, maar je moet de print herhalen om ze te veranderen. We wilden iets creëren als menselijke spieren die hun stijfheid in realtime kunnen veranderen."

Om dat te bereiken, vulden de onderzoekers individuele cellen met een recept van gallium en ijzer. Bij kamertemperatuur kan dit metaalcomposiet ofwel vast ofwel vloeibaar zijn. Beginnend als een complete vast stof, kunnen onderzoekers warmte toepassen met een elektrische stroom om elk patroon van cellen te verflessen, bijna alsof men enen en nullen in een harde schijf schrijft en opslaat.

In twee dimensies is het resulterende materiaal essentieel een dunne vel dat geprogrammeerd kan worden om precies stijfheid en demping te veranderen zonder de vorm of geometrie te wijzigen. Het materiaal is zwaar getest, wat een enorme flexibiliteit toonde om een scala aan commercieel beschikbare zachte materialen na te bootsen, van kunststoffen tot rubberen.

Het concept wordt nog interessanter in drie dimensies. In hun demonstratie creëerden de onderzoekers Lego-achtige bouwblokken die in elke configuratie aan elkaar vastgeklikt en losgemaakt kunnen worden. Elk blok lijkt op een Rubik's kubus met 27 individuele cellen, elk van welke kan worden verflessen door gelokaliseerde warmte van een elektrisch signaal. "Dit geeft ons de flexibiliteit om 3D-structuren met verschillende mechanische eigenschappen te creëren", zei Bai. "En het invriezen van de blokken op nul graden reset alle cellen naar hun vaste toestand, zodat hun configuratie weer en weer herprogrammeerd kan worden."

In het artikel klitten de onderzoekers 10 van deze kubussen samen in een rechte kolom om een soort programmeerbare staart te maken, bevestigden het aan een eenvoudige motor binnen een robotvis en testten de zwemvaardigheden van verschillende configuraties. Dezelfde robotvis met verschillende rangschikkingen van vaste cellen in de staart toonde heel andere zwembanen.

Vanaf dit platform voorzien de onderzoekers in het gebruik van verschillende metalen om verschillende vries- en smeltpunten te creëren die deze materialen in staat kunnen stellen om bijvoorbeeld binnen een menselijk lichaam te functioneren. Ze geloven ook dat de opstelling geminiaturiseerd kan worden om in kleine ruimtes te werken zoals menselijke bloedvaten of gevoelige elektronische systemen.

"Ons doel is om uiteindelijk grotere systemen te construeren met de composietmaterialen", zei Ni. "We willen flexibele, programmeerbare materialen voor robotica bouwen die hen in staat stellen een breed scala taken uit te voeren in een breed scala omgevingen."

Bron