Anche senza cervello o sistema nervoso, la Venus flytrap sembra prendere decisioni sofisticate su quando chiudersi di scatto su potenziali prede, così come per aprirsi quando ha accidentalmente catturato qualcosa che non può mangiare.

I ricercatori della School of Engineering and Applied Science dell'Università della Pennsylvania si sono ispirati a questo tipo di sistemi. Utilizzando materiali sensibili agli stimoli e principi geometrici, hanno progettato strutture che hanno una "logica incarnata". Solo attraverso la loro composizione fisica e chimica, sono in grado di determinare quale delle molteplici risposte possibili dare in risposta al loro ambiente.

Pur non avendo motori, batterie, circuiti o processori di alcun tipo, possono passare tra più configurazioni in risposta a segnali ambientali predeterminati, come umidità o prodotti chimici a base di olio.

Utilizzando stampanti 3D multimateriale, i ricercatori possono realizzare queste strutture attive con porte logiche if/then annidate, e può controllare i tempi di ogni cancello, consentendo comportamenti meccanici complicati in risposta a semplici cambiamenti nell'ambiente. Per esempio, utilizzando questi principi si potrebbe progettare un dispositivo di monitoraggio dell'inquinamento acquatico per aprire e raccogliere un campione solo in presenza di una sostanza chimica a base di olio e quando la temperatura supera una certa soglia.

I Penn Engineers hanno pubblicato uno studio ad accesso aperto che delinea il loro approccio sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

Lo studio è stato condotto da Jordan Raney, professore assistente presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Meccanica Applicata della Penn Engineering, e Yijie Jiang, un ricercatore post-dottorato nel suo laboratorio. Lucia Korpas, uno studente laureato nel laboratorio di Raney, anche contribuito allo studio.

Il laboratorio di Raney è interessato alle strutture bistabili, il che significa che possono contenere una delle due configurazioni indefinitamente. Si interessa anche di materiali responsive, che possono cambiare la loro forma nelle circostanze corrette.

Queste abilità non sono intrinsecamente legate l'una all'altra, ma la "logica incarnata" si basa su entrambi.

"La bistabilità è determinata dalla geometria, considerando che la reattività deriva dalle proprietà chimiche del materiale, " Raney dice. "Il nostro approccio utilizza la stampa 3D multi-materiale per collegare questi campi separati in modo da poter sfruttare la reattività del materiale per modificare i parametri geometrici delle nostre strutture nei modi giusti".

Nei lavori precedenti, Raney e colleghi hanno dimostrato come stampare in 3D reticoli bistabili di travi di silicone angolate. Quando premuti insieme, le travi rimangono bloccate in una configurazione allacciata, ma possono essere facilmente riportati nella loro forma espansa.

Questo comportamento bistabile dipende quasi interamente dall'angolo delle travi e dal rapporto tra la loro larghezza e lunghezza, " Raney dice. "Comprimere il reticolo immagazzina energia elastica nel materiale. Se potessimo usare in modo controllabile l'ambiente per alterare la geometria delle travi, la struttura cesserebbe di essere bistabile e rilascerebbe necessariamente la sua energia di deformazione immagazzinata. Avresti un attuatore che non ha bisogno dell'elettronica per determinare se e quando deve avvenire l'attivazione."

I materiali che cambiano forma sono comuni, ma un controllo a grana fine sulla loro trasformazione è più difficile da ottenere.

"Molti materiali assorbono l'acqua e si espandono, Per esempio, ma si espandono in tutte le direzioni. Questo non ci aiuta, perché significa che il rapporto tra larghezza e lunghezza delle travi rimane lo stesso, " Raney dice. "Avevamo bisogno di un modo per limitare l'espansione a una sola direzione".

La soluzione dei ricercatori è stata quella di infondere le loro strutture stampate in 3D con fibre di vetro o di cellulosa, parallelo alla lunghezza delle travi. Come la fibra di carbonio, questo scheletro anelastico impedisce l'allungamento delle travi, ma permette allo spazio tra le fibre di espandersi, aumentando la larghezza delle travi.

Con questo controllo geometrico in atto, risposte più sofisticate che cambiano forma possono essere ottenute alterando il materiale di cui sono fatte le travi. I ricercatori hanno realizzato strutture attive utilizzando silicone, che assorbe l'olio, e idrogel, che assorbono acqua. Potrebbero essere incorporati anche materiali sensibili al calore e alla luce, e potrebbero essere progettati materiali sensibili a stimoli ancora più specifici.

Modifica del rapporto lunghezza/larghezza iniziale delle travi, così come la concentrazione delle fibre interne rigide, consente ai ricercatori di produrre attuatori con diversi livelli di sensibilità. E poiché la tecnica di stampa 3D dei ricercatori consente l'uso di materiali diversi nella stessa stampa, una struttura può avere più risposte che cambiano forma in diverse aree, o addirittura disposti in sequenza.

"Per esempio, "Jiang dice, "abbiamo dimostrato la logica sequenziale progettando una scatola che, dopo l'esposizione a un solvente adatto, può aprire autonomamente e poi richiudere dopo un tempo predefinito. Abbiamo anche progettato una Venus flytrap artificiale che può chiudersi solo se viene applicato un carico meccanico entro un intervallo di tempo designato, e una scatola che si apre solo se sono presenti sia l'olio che l'acqua."

Sia gli elementi chimici che geometrici di questo approccio logico incarnato sono indipendenti dalla scala, il che significa che questi principi potrebbero anche essere imbrigliati da strutture di dimensioni microscopiche.

"Potrebbe essere utile per applicazioni in microfluidica, " Raney dice. "Piuttosto che usare un sensore a stato solido e un microprocessore che leggono costantemente ciò che scorre in un chip microfluidico, potremmo, Per esempio, progettare un cancello che si chiuda automaticamente se rileva un determinato contaminante."

Altre potenziali applicazioni potrebbero includere sensori in remoto, ambienti difficili, come deserti, montagne, o anche altri pianeti. Senza bisogno di batterie o computer, questi sensori logici incorporati potrebbero rimanere inattivi per anni senza interazione umana, entrando in azione solo quando viene presentato con il giusto segnale ambientale.