Dzięki zastosowaniu kompozytu metalu, który zmienia stan skupienia pod wpływem prądu, te „inteligentne klocki” pozwalają robotom na zmianę ich mechanicznej osobowości bez modyfikacji fizycznego kształtu. To przełom, który przybliża nas do maszyn o elastyczności zbliżonej do ludzkich mięśni.
Sekret tkwi w mikroskopijnych komórkach
Klucz do tej technologii znajduje się wewnątrz każdej kostki. Składa się ona z sieci 27 maleńkich, oddzielnych komórek, które wypełniono specjalnym kompozytem na bazie galu i żelaza. Materiał ten ma unikalną cechę – może przechodzić ze stanu stałego w ciekły i odwrotnie w zwykłej temperaturze pokojowej. Naukowcy opracowali metodę precyzyjnego, punktowego podgrzewania wybranych komórek za pomocą impulsu elektrycznego, co powoduje ich upłynnienie. Dzięki temu można wirtualnie „zaprogramować” całą strukturę, decydując, które jej fragmenty mają pozostać sztywne, a które powinny stać się plastyczne. To trochę jak kodowanie fizycznych cech materiału za pomocą oprogramowania.
Chcemy tworzyć materiały, które są żywe. Drukarki 3D mogą tworzyć materiały o specyficznych właściwościach mechanicznych, ale trzeba powtarzać druk, aby je zmienić. Chcieliśmy stworzyć coś na wzór ludzkich mięśni, które mogą zmieniać swoją sztywność w czasie rzeczywistym — wyjaśnia Yun Bai z Duke University.
Istotą wynalazku nie jest zmiana kształtu obiektu, lecz fundamentalna zmiana tego, jak reaguje on na siły zewnętrzne. Ta sama, niezmienna konstrukcja może raz zachowywać się jak amortyzator, a innym razem jak sztywna belka nośna.
Teoria to za mało, więc zespół przystąpił do praktycznych testów
Pierwsze eksperymenty dotyczyły prostych belek i kolumn złożonych z wielu kostek. Okazało się, że odpowiednie zaprogramowanie wewnętrznych komórek diametralnie zmieniało sposób, w jaki cała konstrukcja uginała się pod obciążeniem lub reagowała na wibracje. Prawdziwie spektakularny pokaz odbył się jednak w akwarium. Badacze złożyli dziesięć kostek w prosty pręt, który posłużył jako programowalny ogon dla miniaturowej, robotycznej ryby. W zależności od konfiguracji wewnętrznej, ta sama ryba płynęła zupełnie innym torem, mimo że silnik sterujący cały czas wykonywał identyczne ruchy. To wyraźny dowód, że sam materiał może być nośnikiem informacji sterującej ruchem.
Czytaj też: LimX Dynamics zgarnia miliony na rozwój robotów. Ucieleśniona sztuczna inteligencja jest coraz bliżej
Modułowość konstrukcji, inspirowana klockami Lego, dodaje kolejny wymiar elastyczności. Struktury można dowolnie składać i rozbierać. Co ważne, po zakończeniu eksperymentu cały układ można „zresetować” poprzez schłodzenie do zera stopni Celsjusza, co przywraca wszystkie komórki do stanu stałego i umożliwia nowe programowanie.
Daje nam to elastyczność w tworzeniu struktur 3D o różnych właściwościach mechanicznych. A zamrażanie bloków w temperaturze zera stopni resetuje wszystkie komórki do stanu stałego, dzięki czemu ich konfiguracja może być przeprogramowywana w kółko — dodaje Bai.
Zastosowania w robotyce i medycynie. Wizje przyszłości programowalnych materiałów
Perspektywy są szerokie, choć na razie odległe. W robotyce taka technologia mogłaby pozwolić na konstruowanie uniwersalnych maszyn. Zamiast budować wyspecjalizowanego robota do konkretnego zadania, jeden egzemplarz mógłby zmieniać swoją „budowę mięśni” dostosowując się do aktualnych potrzeb, na przykład delikatnie manipulować przedmiotem, a chwilę później mocno go chwycić.
Chcemy budować elastyczne, programowalne materiały dla robotyki, które umożliwią im wykonywanie szerokiego zakresu zadań w szerokim zakresie środowisk — mówi Xiaoyue Ni z Duke University.
Prawdopodobnie najbardziej przełomowe zastosowania czekają w medycynie. Badacze myślą o zminiaturyzowaniu kostek i takim dostosowaniu składu stopu, aby punkt przemiany fazowej odpowiadał temperaturze ludzkiego ciała. Teoretycznie otwiera to drogę do tworzenia mikrostruktur, które mogłyby przemierzać naczynia krwionośne, monitorować parametry życiowe czy pełnić funkcję inteligentnych stentów, dostosowujących swoją sztywność do zmieniających się warunków w organizmie. To wizja na kolejną dekadę, która wymaga rozwiązania mnóstwa problemów, m.in. związanych z biokompatybilnością.
Czytaj też: Granica między człowiekiem a maszyną zaczyna się zacierać. Robot Moya wzbudza niepokój i fascynację
Prezentowane klocki to fascynujący prototyp, który pokazuje, jak zaciera się granica między martwą materią a czymś naśladującym żywą tkankę. Materiały zdolne do dynamicznej adaptacji w czasie rzeczywistym otwierają drzwi do zupełnie nowej klasy urządzeń. Od elastycznej elektroniki po implanty medyczne – przyszłość inżynierii materiałowej może stać się znacznie bardziej „organiczna”. Trzeba jednak pamiętać, że droga od prezentacji w laboratorium do powszechnego zastosowania jest długa i wyboista.