Gli scienziati hanno recentemente esplorato le proprietà uniche delle onde non lineari per facilitare un'ampia gamma di applicazioni, tra cui la mitigazione dell'impatto, trasmissione asimmetrica, commutazione e messa a fuoco. In un nuovo studio ora pubblicato su Progressi scientifici , Bolei Deng e un team di ricercatori di Harvard, Il CNRS e il Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering negli Stati Uniti e in Francia hanno sfruttato la propagazione delle onde non lineari per far strisciare le strutture flessibili. Hanno combinato metodi sperimentali e teorici bioispirati per mostrare come tale locomozione guidata da impulsi potrebbe raggiungere la massima efficienza quando gli impulsi iniziati erano solitoni (onda solitaria). La semplice macchina sviluppata nel lavoro poteva muoversi su un'ampia gamma di superfici e andare avanti. Lo studio ha ampliato la varietà di possibili applicazioni con onde non lineari per offrire una nuova piattaforma per macchine flessibili.

Le strutture flessibili capaci di grandi deformazioni stanno attirando l'interesse nella bioingegneria grazie alla loro intrigante risposta statica e alla loro capacità di supportare onde elastiche di grande ampiezza. Controllando attentamente la loro geometria, il panorama energetico elastico di sistemi altamente deformabili può essere progettato per propagare una varietà di onde non lineari inclusi solitoni vettoriali, onde di transizione e impulsi di rarefazione. Il comportamento dinamico di tali strutture dimostra una fisica molto ricca, offrendo nuove opportunità per manipolare la propagazione dei segnali meccanici. Tali meccanismi possono consentire la propagazione unidirezionale, guida delle onde, logica meccanica e mitigazione, tra le altre applicazioni.

In questo lavoro, Deng et al. sono stati ispirati dal moto ondoso peristaltico retrogrado biologico nei lombrichi e dalla capacità delle onde elastiche lineari di generare moto nei motori a ultrasuoni. Il team ha mostrato la propagazione di onde elastiche non lineari in strutture flessibili per fornire opportunità di locomozione. Come prova del concetto, si sono concentrati su uno Slinky e lo hanno usato per creare un robot a impulsi in grado di propellersi da solo. Hanno costruito la macchina semplice collegando lo Slinky a un attuatore pneumatico. Il team ha utilizzato un elettromagnete e una piastra incorporati tra gli anelli per avviare impulsi non lineari per propagarsi lungo il dispositivo dalla parte anteriore a quella posteriore, permettendo alla direzionalità dell'impulso di dettare al semplice robot di andare avanti. I risultati hanno indicato che l'efficienza di tale locomozione a impulsi è ottimale con i solitoni:impulsi non lineari di grande ampiezza con una velocità costante e una forma stabile lungo la propagazione. Lo studio ha ampliato le applicazioni delle onde solitarie (solitoni) mostrando come possono essere esplorate come semplici motori sottostanti per aiutare le macchine flessibili a muoversi.

Per creare il robot Slinky, Deng et al. utilizzato uno Slinky in metallo con una lunghezza di 50 mm e 90 anelli, per poi testare e capire come esplorarne la flessibilità intrinseca, e creare una macchina semplice capace di movimento. Hanno collegato due elastici in serie (100 mm, 180 loop) per una semplice strategia di attuazione basata su un attuatore pneumatico, un elettromagnete e tre lastre acriliche. Potrebbero allungare e accorciare la configurazione utilizzando l'attuatore pneumatico mantenendo l'elettromagnete acceso. Il team ha testato la risposta della macchina posizionandola su una superficie liscia e monitorandola con una telecamera ad alta velocità. Deng et al. poi ha spento il campo magnetico nel tentativo di rompere la simmetria e far strisciare la macchina. Non hanno osservato un'onda riflessa nello Slinky a causa della grande dissipazione di energia in caso di collisione dei circuiti e hanno invece osservato un chiaro movimento in avanti del robot. Il team ha quindi esplorato la direzionalità introdotta dalle onde elastiche per far muovere il robot, anche in presenza di coefficienti di attrito identici.

Tuttavia, i tentativi di far strisciare la macchina flessibile tramite impulsi elastici hanno rivelato che le condizioni sperimentali non erano ottimali. Ad esempio, hanno notato uno sviamento subito dopo aver spento l'elettromagnete. Per limitare questo movimento, Deng et al. aumentato la massa alla testa del robot Slinky ottimizzando al contempo il valore per identificare una gamma ottimale. Lo Slinky ha mantenuto 10 anelli tra la parte anteriore e le piastre di caricamento nella configurazione. Il team ha designato la distanza massima tra il carico e le piastre frontali come A _in , che si avvicinava a 100 mm. Per capire come l'efficienza del robot fosse un massimo per A _in =100 mm Deng et al. studiato attentamente la propagazione di impulsi di grande ampiezza attraverso lo Slinky.

Per questi esperimenti, si sono concentrati su un singolo Slinky e hanno monitorato la posizione dei marker verdi situati ad ogni altro loop. Hanno quindi avviato onde elastiche che si sono propagate verso la parte posteriore allungando in anticipo 10 anelli vicino alla parte anteriore e spegnendo l'elettromagnete. I test hanno permesso al team di raccogliere informazioni più approfondite sulla propagazione degli impulsi monitorando lo spostamento di ciascun anello. Gli scienziati hanno realizzato due caratteristiche principali del robot; 1) le onde a propagazione all'indietro spostavano il centro di massa dello Slinky in avanti e 2) lo Slinky supportava la propagazione di onde solitarie di grande ampiezza.

Per approfondire i risultati sperimentali, Deng et al. sviluppato un modello matematico che rappresentava la massa e l'elasticità di un singolo anello. I risultati calcolati corrispondevano molto bene ai risultati sperimentali e il modello ha confermato le osservazioni sperimentali. L'analisi ha ulteriormente confermato che l'efficienza del robot Slinky è al massimo quando le onde iniziate erano solitoni. La natura non dispersiva e la compattezza degli impulsi solitari li hanno resi estremamente efficienti nel trasferire l'energia fornita dall'attuatore pneumatico in movimento al fine di ottenere la locomozione a impulsi più efficiente.

In questo modo, Deng et al. ha mostrato come i solitoni che si propagano all'indietro possono spostare in modo efficiente un robot Slinky in avanti. Anche se gli organismi senza arti hanno precedentemente ispirato gli ingegneri a progettare una varietà di robot, il team ritiene che questo lavoro sia il primo sistema robotico a fare affidamento su impulsi elastici per muoversi. I principi presentati nello studio erano diversi da quelli utilizzati dai motori a ultrasuoni, poiché il robot flessibile Slinky utilizzava onde di impulso non lineari per modificare la posizione del centro di massa, i motori ad ultrasuoni sono invece alimentati da onde sinusoidali lineari. Il team si è concentrato solo sulla scansione rettilinea in avanti in questo lavoro, ma possono esplorare la flessibilità dello Slinky per ottenere una vasta gamma di movimenti.

Il team intende quindi guidare il robot ruotando l'ultimo anello sul retro del dispositivo e controllando l'angolo di sterzata, sottolineando al contempo la possibilità esistente di spostare il robot su un'ampia gamma di superfici. Sebbene Deng et al. usato solo uno Slinky per realizzare la locomozione a impulsi in questo lavoro, i principi sono generali e possono essere estesi a un'ampia gamma di sistemi estensibili su tutte le scale per aprire strade a crawler su microscala adatti per applicazioni mediche.

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