Herprogrammeerbare blokken in Lego-stijl bootsen de flexibiliteit van het leven na

Bewegingsontwerp INSIDER

Xiaoyue Ni kijkt hoe een robotvis met een herprogrammeerbare staart in een aquarium zwemt. Het proof-of-demonstration zou kunnen leiden tot materialen met herprogrammeerbare materiaaleigenschappen die zouden kunnen functioneren in menselijke lichamen of elektronica. (Afbeelding:met dank aan de onderzoekers)

Mechanische ingenieurs aan de Duke University hebben een proof-of-concept-methode gedemonstreerd voor het programmeren van mechanische eigenschappen in solide Lego-achtige bouwstenen. Door de stevigheid van honderden individuele cellen in specifieke patronen te controleren, zou deze aanpak ervoor kunnen zorgen dat futuristische robotica hun mechanische eigenschappen en functionaliteiten in een handomdraai kunnen veranderen.

In hun eerste tests laten de onderzoekers zien hoe een staartachtige 3D-straal met verschillende configuraties een robotvis met dezelfde motoractiviteit langs verschillende paden door water kan bewegen. Het team heeft miniatuurversies van de technologie voor ogen die bijvoorbeeld door bloedvaten zouden kunnen manoeuvreren om hun gezondheid te onderzoeken of zelfs opnieuw zouden kunnen configureren om een adaptieve stent te vormen.

“We willen materialen maken die levend zijn”, legt Yun Bai uit, eerste auteur van het artikel en gepromoveerd. student in het laboratorium van Xiaoyue Ni, assistent-professor werktuigbouwkunde en materiaalkunde bij Duke. "3D-printers kunnen materialen maken met specifieke mechanische eigenschappen, maar je moet de print herhalen om ze te veranderen. We wilden zoiets als menselijke spieren creëren die hun stijfheid in realtime kunnen veranderen."

Om dat mogelijk te maken, vulden de onderzoekers individuele cellen met een recept van gallium en ijzer. Bij kamertemperatuur kan dit metaalcomposiet zowel vast als vloeibaar zijn. Beginnend als een complete vaste stof, kunnen onderzoekers warmte toepassen met een elektrische stroom om elk patroon van cellen vloeibaar te maken, bijna zoals het schrijven en opslaan van enen en nullen op een harde schijf.

In twee dimensies is het resulterende materiaal in wezen een dunne plaat die kan worden geprogrammeerd om de stijfheid en demping nauwkeurig te veranderen zonder de vorm of geometrie te veranderen. Het materiaal werd zwaar getest en toonde een enorme flexibiliteit om een reeks in de handel verkrijgbare zachte materialen na te bootsen, van plastic tot rubber.

Het concept wordt echter nog interessanter in drie dimensies. In hun demonstratie creëerden de onderzoekers Lego-achtige bouwstenen die in elke configuratie aan elkaar kunnen worden geplakt en losgemaakt. Elk blok lijkt op een Rubiks kubus met 27 individuele cellen, die elk vloeibaar kunnen worden gemaakt door plaatselijke warmte van een elektrisch signaal. “Dit geeft ons de flexibiliteit om 3D-structuren met verschillende mechanische eigenschappen te creëren”, zegt Bai. “En door de blokken op nul graden te bevriezen, worden alle cellen teruggezet naar hun vaste toestand, zodat hun configuratie steeds opnieuw kan worden geprogrammeerd.”

In het artikel plakten de onderzoekers tien van deze kubussen samen in een rechte kolom om een soort programmeerbare staart te creëren, bevestigden deze aan een eenvoudige motor in een robotvis en testten de zwemcapaciteiten van verschillende configuraties. Dezelfde robotvis met verschillende arrangementen van vaste cellen in de staart vertoonde heel verschillende zwemtrajecten.

Voortbouwend op dit platform willen de onderzoekers verschillende metalen gebruiken om verschillende vries- en smeltpunten te creëren, waardoor deze materialen bijvoorbeeld in een menselijk lichaam kunnen worden gebruikt. Ze geloven ook dat de opstelling kan worden geminiaturiseerd om binnen kleine grenzen te kunnen werken, zoals menselijke bloedvaten of delicate elektronische systemen.

"Ons doel is om uiteindelijk grotere systemen te bouwen met behulp van de composietmaterialen", zegt Ni. “We willen flexibele, programmeerbare materialen voor robotica bouwen waarmee ze een grote verscheidenheid aan taken kunnen uitvoeren in een grote verscheidenheid aan omgevingen.”

Bron