Även utan hjärna eller nervsystem, Venus flugfälla verkar fatta sofistikerade beslut om när man ska stänga av potentiella byten, samt att öppna när den av misstag har fångat något den inte kan äta.

Forskare vid University of Pennsylvania School of Engineering and Applied Science har tagit inspiration från den här typen av system. Med hjälp av stimuli-mottagliga material och geometriska principer, de har utformat strukturer som har "förkroppsligad logik". Bara genom deras fysiska och kemiska smink, de kan bestämma vilka av flera möjliga svar som ska göras som svar på sin omgivning.

Trots att det inte finns några motorer, batterier, kretsar eller processorer av något slag, de kan växla mellan flera konfigurationer som svar på förutbestämda miljömärken, t.ex. fukt eller oljebaserade kemikalier.

Med 3D-skrivare i flera material, forskarna kan göra dessa aktiva strukturer med kapslade om/sedan logiska grindar, och kan styra tidpunkten för varje grind, möjliggör komplicerade mekaniska beteenden som svar på enkla förändringar i miljön. Till exempel, genom att använda dessa principer kan en vattenföroreningskontrollanordning utformas för att öppna och samla ett prov endast i närvaro av en oljebaserad kemikalie och när temperaturen är över en viss tröskel.

Penn Engineers publicerade en öppen åtkomststudie som beskriver deras tillvägagångssätt i tidskriften Naturkommunikation .

Studien leds av Jordan Raney, biträdande professor i Penn Engineering Institutionen för maskinteknik och tillämpad mekanik, och Yijie Jiang, en postdoktor i sitt laboratorium. Lucia Korpas, en doktorand i Raneys lab, bidragit också till studien.

Raneys lab är intresserad av strukturer som är bistabila, vilket betyder att de kan hålla en av två konfigurationer på obestämd tid. Det är också intresserat för responsivt material, som kan ändra form under korrekta omständigheter.

Dessa förmågor är inte i själva verket relaterade till varandra, men "förkroppsligad logik" drar på båda.

"Bistabilitet bestäms av geometri, medan reaktionskraft kommer från materialets kemiska egenskaper, "Raney säger." Vår metod använder 3D-utskrift i flera material för att överbrygga dessa separata fält så att vi kan utnyttja materialets lyhördhet för att ändra våra strukturs geometriska parametrar på precis rätt sätt. "

I tidigare arbeten, Raney och kollegor hade visat hur man 3D-printar bistabila galler av vinklade silikonstrålar. När de pressas ihop, balkarna förblir låsta i en spänne konfiguration, men kan enkelt dras tillbaka till sin utökade form.

Detta bistabila beteende beror nästan helt på balkarnas vinkel och förhållandet mellan deras bredd och längd, "Raney säger." Komprimering av gitteret lagrar elastisk energi i materialet. Om vi ​​kontrollerbart kunde använda miljön för att ändra strålarnas geometri, strukturen skulle sluta vara bistabil och skulle nödvändigtvis frigöra sin lagrade töjningsenergi. Du skulle ha ett ställdon som inte behöver elektronik för att avgöra om och när manövrering ska ske. "

Formförändrande material är vanliga, men finkornig kontroll över deras transformation är svårare att uppnå.

"Massor av material absorberar vatten och expanderar, till exempel, men de expanderar åt alla håll. Det hjälper oss inte, eftersom det betyder att förhållandet mellan balkarnas bredd och längd förblir densamma, "Raney säger." Vi behövde ett sätt att begränsa expansionen till endast en riktning. "

Forskarnas lösning var att införa sina 3D-tryckta strukturer med glas- eller cellulosafibrer, löper parallellt med balkarnas längd. Som kolfiber, detta oelastiska skelett hindrar strålarna från att förlängas, men tillåter utrymmet mellan fibrerna att expandera, öka balkarnas bredd.

Med denna geometriska kontroll på plats, mer sofistikerade formförändrande svar kan uppnås genom att ändra materialet som balkarna är gjorda av. Forskarna gjorde aktiva strukturer med silikon, som absorberar olja, och hydrogeler, som absorberar vatten. Värme- och ljuskänsliga material kan också införlivas, och material som reagerar på ännu mer specifika stimuli kan utformas.

Ändra strålarnas startlängd/breddförhållande, samt koncentrationen av de styva inre fibrerna, tillåter forskarna att producera ställdon med olika känslighetsnivåer. Och eftersom forskarnas 3D-tryckteknik möjliggör användning av olika material i samma tryck, en struktur kan ha flera formförändrande svar på olika områden, eller till och med ordnade i en sekvens.

"Till exempel, "Jiang säger, "vi demonstrerade sekventiell logik genom att designa en låda som, efter exponering för ett lämpligt lösningsmedel, kan autonomt öppna och sedan stänga efter en fördefinierad tid. Vi konstruerade också en konstgjord Venus -flytfälla som endast kan stängas om en mekanisk belastning appliceras inom ett bestämt tidsintervall, och en låda som bara öppnas om både olja och vatten finns. "

Både de kemiska och geometriska elementen i detta förkroppsligade logiska tillvägagångssätt är skaloberoende, vilket innebär att dessa principer också kan utnyttjas av strukturer i mikroskopiska storlekar.

"Det kan vara användbart för applikationer inom mikrofluidik, "Säger Raney." I stället för att använda en solid-state sensor och mikroprocessor som hela tiden läser vad som strömmar in i ett mikrofluidchip, vi kunde, till exempel, utforma en grind som stängs automatiskt om den upptäcker en viss förorening. "

Andra potentiella applikationer kan inkludera sensorer i fjärrkontroll, hårda miljöer, som öken, berg, eller till och med andra planeter. Utan behov av batterier eller datorer, dessa förkroppsligade logiska sensorer kan förbli vilande i flera år utan mänsklig interaktion, kommer bara till handling när den presenteras med rätt miljömärke.