Zelfs zonder hersenen of zenuwstelsel, de Flytrap van Venus lijkt geraffineerde beslissingen te nemen over wanneer hij potentiële prooien moet sluiten, evenals om te openen wanneer het per ongeluk iets heeft gevangen dat het niet kan eten.

Onderzoekers van de School of Engineering and Applied Science van de University of Pennsylvania hebben zich laten inspireren door dit soort systemen. Door gebruik te maken van op prikkels reagerende materialen en geometrische principes, ze hebben structuren ontworpen die 'belichaamde logica' bevatten. Alleen al door hun fysieke en chemische samenstelling, ze zijn in staat om te bepalen welke van de meerdere mogelijke reacties te maken in reactie op hun omgeving.

Ondanks dat er geen motoren zijn, batterijen, circuits of processors van welke aard dan ook, ze kunnen schakelen tussen meerdere configuraties als reactie op vooraf bepaalde omgevingssignalen, zoals vocht of chemicaliën op oliebasis.

Met behulp van multi-materiaal 3D-printers, de onderzoekers kunnen deze actieve structuren maken met geneste if/then logische poorten, en kan de timing van elke poort regelen, waardoor gecompliceerd mechanisch gedrag mogelijk is als reactie op eenvoudige veranderingen in de omgeving. Bijvoorbeeld, door gebruik te maken van deze principes zou een meetapparaat voor waterverontreiniging kunnen worden ontworpen om een ​​monster alleen te openen en te verzamelen in de aanwezigheid van een op olie gebaseerde chemische stof en wanneer de temperatuur boven een bepaalde drempel komt.

De Penn Engineers publiceerden een open access-onderzoek waarin hun aanpak in het tijdschrift werd geschetst Natuurcommunicatie .

De studie werd geleid door Jordan Raney, assistent-professor aan de afdeling Werktuigbouwkunde en Toegepaste Mechanica van Penn Engineering, en Yiji Jiang, een postdoctoraal onderzoeker in zijn lab. Lucia Korpas, een afgestudeerde student in Raney's lab, heeft ook meegewerkt aan het onderzoek.

Raney's lab is geïnteresseerd in structuren die bistabiel zijn, wat betekent dat ze een van de twee configuraties voor onbepaalde tijd kunnen vasthouden. Het is ook geïnteresseerd in responsieve materialen, die onder de juiste omstandigheden van vorm kunnen veranderen.

Deze vaardigheden zijn niet intrinsiek aan elkaar gerelateerd, maar 'belichaamde logica' is gebaseerd op beide.

"Bistabiliteit wordt bepaald door geometrie, overwegende dat reactievermogen voortkomt uit de chemische eigenschappen van het materiaal, " Zegt Raney. "Onze aanpak maakt gebruik van multi-materiaal 3D-printen om deze afzonderlijke velden te overbruggen, zodat we het reactievermogen van het materiaal kunnen benutten om de geometrische parameters van onze structuren op de juiste manier te veranderen."

In eerder werk, Raney en collega's hadden aangetoond hoe ze bistabiele roosters van gehoekte siliconenbundels in 3D konden printen. Wanneer samengedrukt, de balken blijven vergrendeld in een geknikte configuratie, maar kunnen gemakkelijk worden teruggetrokken in hun uitgebreide vorm.

Dit bistabiele gedrag hangt bijna volledig af van de hoek van de bundels en de verhouding tussen hun breedte en lengte, ' zegt Raney. 'Door het rooster samen te drukken, wordt elastische energie in het materiaal opgeslagen. Als we de omgeving controleerbaar zouden kunnen gebruiken om de geometrie van de balken te veranderen, de structuur zou niet langer bistabiel zijn en zou noodzakelijkerwijs zijn opgeslagen spanningsenergie vrijgeven. Je zou een actuator hebben die geen elektronica nodig heeft om te bepalen of en wanneer de activering moet plaatsvinden."

Vormveranderende materialen komen veel voor, maar fijnmazige controle over hun transformatie is moeilijker te bereiken.

"Veel materialen nemen water op en zetten uit, bijvoorbeeld, maar ze breiden zich in alle richtingen uit. Dat helpt ons niet, omdat het betekent dat de verhouding tussen de breedte en lengte van de balken hetzelfde blijft, " Zegt Raney. "We hadden een manier nodig om de uitbreiding tot slechts één richting te beperken."

De oplossing van de onderzoekers was om hun 3D-geprinte structuren te infuseren met glas- of cellulosevezels, parallel lopen met de lengte van de balken. Zoals koolstofvezel, dit inelastische skelet voorkomt dat de balken uitrekken, maar laat de ruimte tussen de vezels uitzetten, het vergroten van de breedte van de balken.

Met deze geometrische besturing op zijn plaats, meer geavanceerde vormveranderende reacties kunnen worden bereikt door het materiaal waarvan de balken zijn gemaakt te veranderen. De onderzoekers maakten actieve structuren met siliconen, die olie absorbeert, en hydrogels, die water opnemen. Er kunnen ook warmte- en lichtgevoelige materialen worden verwerkt, en materialen die reageren op nog specifiekere stimuli kunnen worden ontworpen.

De startlengte/breedte-verhouding van de liggers wijzigen, evenals de concentratie van de stijve interne vezels, stelt de onderzoekers in staat om actuatoren met verschillende gevoeligheidsniveaus te produceren. En omdat de 3D-printtechniek van de onderzoekers het gebruik van verschillende materialen in dezelfde print mogelijk maakt, een structuur kan meerdere vormveranderende reacties hebben op verschillende gebieden, of zelfs gerangschikt in een reeks.

"Bijvoorbeeld, "Jong zegt, "we demonstreerden sequentiële logica door een doos te ontwerpen die, na blootstelling aan een geschikt oplosmiddel, kan autonoom openen en sluiten na een vooraf bepaalde tijd. We hebben ook een kunstmatige Venus-flytrap ontworpen die alleen kan sluiten als er een mechanische belasting wordt uitgeoefend binnen een bepaald tijdsinterval, en een doos die alleen opengaat als er zowel olie als water in zit."

Zowel de chemische als geometrische elementen van deze belichaamde logische benadering zijn schaalonafhankelijk, wat betekent dat deze principes ook kunnen worden benut door structuren van microscopisch kleine afmetingen.

"Dat kan handig zijn voor toepassingen in microfluïdica, " zegt Raney. "In plaats van een solid-state sensor en microprocessor te gebruiken die constant lezen wat er in een microfluïdische chip stroomt, we konden, bijvoorbeeld, ontwerp een poort die automatisch sluit als het een bepaalde verontreiniging detecteert."

Andere mogelijke toepassingen zijn onder meer sensoren op afstand, ruwe omgevingen, zoals woestijnen, bergen, of zelfs andere planeten. Zonder batterijen of computers, deze belichaamde logische sensoren kunnen jarenlang inactief blijven zonder menselijke interactie, komt pas in actie wanneer de juiste omgevingscue wordt gepresenteerd.