Credito:Duke University
Gli ingegneri della Duke University hanno sviluppato una superficie morbida scalabile che può rimodellare continuamente se stessa per imitare gli oggetti in natura. Basandosi sull'attuazione elettromagnetica, sulla modellazione meccanica e sull'apprendimento automatico per formare nuove configurazioni, la superficie può persino imparare ad adattarsi a ostacoli come elementi rotti, vincoli imprevisti o ambienti mutevoli.
La ricerca appare online il 21 settembre sulla rivista Nature .
"Siamo motivati dall'idea di controllare al volo le proprietà dei materiali o i comportamenti meccanici di un oggetto ingegnerizzato, che potrebbe essere utile per applicazioni come robotica morbida, realtà aumentata, materiali biomimetici e dispositivi indossabili specifici per soggetto", ha affermato Xiaoyue Ni, assistente professore di ingegneria meccanica e scienze dei materiali alla Duke. "Ci stiamo concentrando sull'ingegnerizzazione della forma della materia che non è stata predeterminata, che è un compito piuttosto arduo da raggiungere, soprattutto per i materiali morbidi."
Il lavoro precedente sulla materia morphing, secondo Ni, non è stato in genere programmabile; è stato invece programmato. Cioè, superfici morbide dotate di elementi attivi progettati possono spostare le loro forme tra poche forme, come un pezzo di origami, in risposta a luce o calore o altri stimoli. Al contrario, Ni e il suo laboratorio volevano creare qualcosa di molto più controllabile che potesse trasformarsi e riconfigurarsi tutte le volte che vuole in qualsiasi forma fisica possibile.
Per creare una tale superficie, i ricercatori hanno iniziato stendendo una griglia di raggi simili a serpenti costituiti da un sottile strato d'oro incapsulato da un sottile strato di polimero. Le singole travi sono spesse appena otto micrometri, circa lo spessore di una fibra di cotone, e larghe meno di un millimetro. La leggerezza dei fasci permette alle forze magnetiche di deformarli facilmente e rapidamente.
Per generare forze locali, la superficie viene posta in un campo magnetico statico di basso livello. Le variazioni di tensione creano una corrente elettrica complessa ma facilmente prevedibile lungo la griglia dorata, determinando lo spostamento fuori piano della griglia.
"Questa è la prima superficie morbida artificiale che è abbastanza veloce da imitare accuratamente un continuo processo di mutaforma in natura", ha detto Ni. "Un progresso fondamentale è il design strutturale che consente un'insolita relazione lineare tra gli ingressi elettrici e la forma risultante, il che rende facile capire come applicare le tensioni per ottenere un'ampia varietà di forme target".
La nuova "metasuperficie" mette in mostra un'ampia gamma di abilità di morphing e imitazione. Crea rigonfiamenti che si sollevano e si muovono sulla superficie come un gatto che cerca di uscire da sotto una coperta, onde oscillanti e una replica convincente di una goccia di liquido che gocciola e cade su una superficie solida. E produce queste forme e comportamenti a qualsiasi velocità o accelerazione desiderata, il che significa che può reimmaginare quel gatto intrappolato o la gocciolina gocciolante al rallentatore o in avanti veloce.
Con le telecamere che monitorano la superficie in morphing, la superficie del contorsionista può anche imparare a ricreare forme e motivi da sola. Regolando lentamente le tensioni applicate, un algoritmo di apprendimento riceve il feedback dell'imaging 3D e calcola quali effetti hanno i diversi input sulla forma della metasuperficie.
Nella carta, un palmo umano macchiato con 16 punti neri si sposta lentamente sotto una telecamera e la superficie rispecchia perfettamente i movimenti.
"Il controllo non deve sapere nulla della fisica dei materiali, bastano piccoli passi e osserva per vedere se si sta avvicinando al bersaglio o meno", ha detto Ni. "Attualmente ci vogliono circa due minuti per ottenere una nuova forma, ma speriamo di migliorare eventualmente il sistema di feedback e l'algoritmo di apprendimento al punto che sia quasi in tempo reale."
Poiché la superficie insegna a se stessa a muoversi attraverso tentativi ed errori, può anche adattarsi a danni, vincoli fisici imprevisti o cambiamenti ambientali. In un esperimento, impara rapidamente a imitare un tumulo rigonfio nonostante uno dei suoi raggi venga tagliato. In un altro, riesce a imitare una forma simile nonostante un peso sia attaccato a uno dei nodi della griglia.
Ci sono molte opportunità immediate per estendere la scala e la configurazione della superficie morbida. Ad esempio, una serie di superfici può ridimensionare le dimensioni di uno schermo tattile. Oppure le tecniche di fabbricazione con maggiore precisione possono ridurre la dimensione fino a un millimetro, rendendola più adatta per applicazioni biomediche.
Andando avanti, Ni vuole creare metasuperfici robotiche con funzioni integrate di rilevamento della forma per eseguire imitazioni in tempo reale della forma di superfici complesse e dinamiche in natura, come le increspature dell'acqua, le pinne dei pesci o il volto umano. Il laboratorio potrebbe anche esaminare l'integrazione di più componenti nel prototipo, come fonti di alimentazione integrate, sensori, risorse di calcolo o capacità di comunicazione wireless.
"Insieme alla ricerca della creazione di materiali programmabili e robotici, prevediamo che i materiali futuri saranno in grado di alterarsi per svolgere funzioni in modo dinamico e interattivo", ha affermato Ni. "Tali materiali possono percepire e percepire requisiti o informazioni dagli utenti e trasformarsi e adattarsi in base alle esigenze in tempo reale delle loro prestazioni specifiche, proprio come i microbot in Big Hero 6. La superficie morbida può trovare applicazioni come robot teleoperato, display 3D dinamico, camouflage, esoscheletro o altre superfici intelligenti e funzionali che possono funzionare in ambienti difficili e imprevedibili." + Esplora ulteriormente
