Mekaniska system, såsom motorer och motorer, förlita sig på två huvudsakliga typer av rörelser av styva komponenter:linjär rörelse, vilket innebär att ett föremål rör sig från en punkt till en annan i en rät linje; och rotationsrörelse, vilket innebär att ett föremål roterar på en axel.

Naturen har utvecklat mycket mer sofistikerade former av rörelse - eller aktivering - som kan utföra komplexa funktioner mer direkt och med mjuka komponenter. Till exempel, våra ögon kan ändra fokus genom att helt enkelt dra ihop mjuka muskler för att ändra formen på hornhinnan. I kontrast, kameror fokuserar genom att flytta solida linser längs en linje, antingen manuellt eller med autofokus.

Men tänk om vi kunde härma formförändringar och rörelser som finns i naturen?

Nu, forskare vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har utvecklat en metod för att ändra formen på ett platt ark av elastomer, med hjälp av snabb manövrering, reversibel, styrbar av en pålagd spänning, och omkonfigurerbar till olika former.

Forskningen publicerades i Naturkommunikation .

"Vi ser detta arbete som det första steget i utvecklingen av en mjuk, formskiftande material som ändrar form enligt elektriska styrsignaler från en dator, sa David Clarke, den utökade Tarr-familjen professor i material vid SEAS och senior författare till tidningen. "Detta är besläktat med de allra första stegen som togs på 1950-talet för att skapa integrerade kretsar från kisel, ersätta kretsar gjorda av diskreta, enskilda komponenter. Precis som de integrerade kretsarna var primitiva jämfört med kapaciteten hos dagens elektronik, våra enheter har en enkel men integrerad tredimensionell arkitektur av elektriska ledare och dielektrikum, och demonstrera elementen i programmerbar omkonfiguration, för att skapa stora och reversibla formförändringar."

Det omkonfigurerbara elastomerarket består av flera lager. Kolnanorörsbaserade elektroder av olika former är inkorporerade mellan varje lager. När en spänning appliceras på dessa elektroder, ett rumsligt varierande elektriskt fält skapas inuti elastomerarket som ger ojämna förändringar i materialets geometri, så att den kan förvandlas till en kontrollerbar tredimensionell form.

Olika uppsättningar av elektroder kan slås på oberoende av varandra, möjliggör olika former baserat på vilka uppsättningar av elektroder som är på och vilka som är avstängda.

"Förutom att vara omkonfigurerbar och reversibel, dessa form-morphing-aktiveringar har en krafttäthet som liknar den för naturliga muskler, " sa Ehsan Hajiesmaili, uppsatsens första författare och doktorand vid SEAS. "Denna funktionalitet kan förändra hur mekaniska enheter fungerar. Det finns exempel på nuvarande enheter som kan använda mer sofistikerade deformationer för att fungera mer effektivt, såsom optiska speglar och linser. Mer viktigt, denna aktiveringsmetod öppnar dörren till nya enheter som anses vara för komplicerade att genomföra på grund av de komplexa deformationer som krävs, såsom en formformande bäryta."

I denna forskning, teamet förutspådde också aktiveringsformerna, givet utformningen av elektrodarrangemanget och pålagd spänning. Nästa, forskarna strävar efter att ta itu med det omvända problemet:givet en önskad aktiveringsform, vad är utformningen av elektroderna och den erforderliga spänningen som kommer att orsaka det?