Kredit:Duke University
Ingenjörer vid Duke University har utvecklat en skalbar mjuk yta som kontinuerligt kan omforma sig själv för att efterlikna objekt i naturen. Genom att förlita sig på elektromagnetisk aktivering, mekanisk modellering och maskininlärning för att bilda nya konfigurationer, kan ytan till och med lära sig att anpassa sig till hinder som trasiga element, oväntade begränsningar eller förändrade miljöer.
Forskningen visas online den 21 september i tidskriften Nature .
"Vi är motiverade av idén om att kontrollera materialegenskaper eller mekaniska beteenden hos ett konstruerat föremål i farten, vilket kan vara användbart för applikationer som mjuk robotik, förstärkt verklighet, biomimetiska material och ämnesspecifika wearables," sa Xiaoyue Ni, biträdande professor i maskinteknik och materialvetenskap vid Duke. "Vi fokuserar på att konstruera formen på materia som inte har förutbestämts, vilket är en ganska lång uppgift att utföra, särskilt för mjuka material."
Tidigare arbete med morphing materia, enligt Ni, har vanligtvis inte varit programmerbart; det har programmerats istället. Det vill säga, mjuka ytor utrustade med designade aktiva element kan skifta sina former mellan få former, som en bit origami, som svar på ljus eller värme eller andra stimuli som utlöser. Däremot ville Ni och hennes laboratorium skapa något mycket mer kontrollerbart som kunde förvandlas och omkonfigureras så ofta det vill till alla fysiskt möjliga former.
För att skapa en sådan yta började forskarna med att lägga ut ett rutnät av ormliknande balkar gjorda av ett tunt lager guld inkapslat av ett tunt polymerlager. De enskilda balkarna är bara åtta mikrometer tjocka - ungefär tjocka som en bomullsfiber - och mindre än en millimeter breda. Lättheten hos strålarna tillåter magnetiska krafter att enkelt och snabbt deformera dem.
För att generera lokala krafter placeras ytan i ett statiskt magnetfält på låg nivå. Spänningsförändringar skapar en komplex men lätt förutsägbar elektrisk ström längs det gyllene nätet, vilket driver nätets förskjutning utanför planet.
"Detta är den första konstgjorda mjuka ytan som är tillräckligt snabb för att exakt efterlikna en kontinuerlig formförändringsprocess i naturen," sa Ni. "Ett viktigt framsteg är den strukturella designen som möjliggör ett ovanligt linjärt förhållande mellan de elektriska ingångarna och den resulterande formen, vilket gör det enkelt att ta reda på hur man applicerar spänningar för att uppnå en mängd olika målformer."
Den nya "metasytan" visar upp ett brett spektrum av morphing och mimicing skills. Det skapar utbuktningar som reser sig och rör sig runt ytan som en katt som försöker hitta sin väg ut under en filt, oscillerande vågmönster och en övertygande replikering av en vätskedroppe som droppar och ploppar på en fast yta. Och den producerar dessa former och beteenden i vilken hastighet eller acceleration som helst, vilket betyder att den kan återuppleva den instängda katten eller droppade droppen i slow motion eller snabbspolning framåt.
Med kameror som övervakar den morfande ytan kan den förvrängda ytan också lära sig att återskapa former och mönster på egen hand. Genom att långsamt justera de applicerade spänningarna tar en inlärningsalgoritm in 3D-bildåterkoppling och räknar ut vilka effekter de olika ingångarna har på metaytans form.
I tidningen förskjuts en mänsklig handflata med 16 svarta prickar långsamt under en kamera, och ytan speglar rörelserna perfekt.
"Kontrollen behöver inte veta något om materialens fysik, den tar bara små steg och tittar för att se om den kommer närmare målet eller inte," sa Ni. "Det tar för närvarande cirka två minuter att uppnå en ny form, men vi hoppas kunna förbättra feedbacksystemet och inlärningsalgoritmen så småningom att det nästan är i realtid."
Eftersom ytan lär sig att röra sig genom trial and error, kan den också anpassa sig till skador, oväntade fysiska begränsningar eller miljöförändringar. I ett experiment lär den sig snabbt att efterlikna en utbuktande hög trots att en av dess balkar skärs. I en annan lyckas den efterlikna en liknande form trots att en vikt är fäst vid en av rutnätets noder.
Det finns många omedelbara möjligheter att utöka skalan och konfigurationen av den mjuka ytan. Till exempel kan en rad ytor skala upp storleken till storleken på en pekskärm. Eller tillverkningstekniker med högre precision kan skala ner storleken till en millimeter, vilket gör den mer lämpad för biomedicinska tillämpningar.
Framåt vill Ni skapa robotiska metasytor med integrerade formavkännande funktioner för att utföra formhärma i realtid av komplexa, dynamiska ytor i naturen, såsom vattenkrusningar, fiskfenor eller det mänskliga ansiktet. Labbet kan också undersöka att bädda in fler komponenter i prototypen, såsom inbyggda strömkällor, sensorer, beräkningsresurser eller trådlös kommunikationskapacitet.
"Tillsammans med strävan efter att skapa programmerbara och robotmaterial, föreställer vi oss att framtida material kommer att kunna förändra sig själva för att tjäna funktioner dynamiskt och interaktivt," sa Ni. "Sådana material kan känna av och uppfatta krav eller information från användarna, och transformera och anpassa sig efter realtidsbehoven för deras specifika prestanda, precis som mikrobotarna i Big Hero 6. Den mjuka ytan kan hitta tillämpningar som en teleopererad robot, dynamisk 3D-display, kamouflage, exoskelett eller andra smarta, funktionella ytor som kan fungera i tuffa, oförutsägbara miljöer." + Utforska vidare
