Ingenieurs van Duke University hebben een schaalbaar zacht oppervlak ontwikkeld dat zichzelf continu kan hervormen om objecten in de natuur na te bootsen. Door te vertrouwen op elektromagnetische aandrijving, mechanische modellering en machine learning om nieuwe configuraties te vormen, kan het oppervlak zelfs leren zich aan te passen aan hindernissen zoals gebroken elementen, onverwachte beperkingen of veranderende omgevingen.

Het onderzoek verschijnt op 21 september online in het tijdschrift Nature .

"We zijn gemotiveerd door het idee om materiaaleigenschappen of mechanisch gedrag van een geconstrueerd object on-the-fly te controleren, wat nuttig zou kunnen zijn voor toepassingen zoals zachte robotica, augmented reality, biomimetische materialen en onderwerpspecifieke wearables", zegt Xiaoyue Ni, assistent-professor werktuigbouwkunde en materiaalkunde aan Duke. "We concentreren ons op het ontwerpen van de vorm van materie die niet vooraf is bepaald, wat een behoorlijk lange taak is om te bereiken, vooral voor zachte materialen."

Eerder werk aan het veranderen van materie was volgens Ni meestal niet programmeerbaar; het is in plaats daarvan geprogrammeerd. Dat wil zeggen, zachte oppervlakken die zijn uitgerust met ontworpen actieve elementen, kunnen hun vorm verschuiven tussen enkele vormen, zoals een stuk origami, in reactie op licht of warmte of andere prikkels. Ni en haar laboratorium wilden daarentegen iets veel controleerbaars creëren dat zo vaak als het wil kon veranderen en herconfigureren in alle fysiek mogelijke vormen.

Om zo'n oppervlak te creëren, begonnen de onderzoekers met het aanleggen van een raster van slangachtige balken gemaakt van een dunne laag goud omhuld door een dunne polymeerlaag. De afzonderlijke balken zijn slechts acht micrometer dik - ongeveer de dikte van een katoenvezel - en minder dan een millimeter breed. Door de lichtheid van de bundels kunnen magnetische krachten ze gemakkelijk en snel vervormen.

Om lokale krachten op te wekken, wordt het oppervlak in een laag statisch magnetisch veld geplaatst. Spanningsveranderingen creëren een complexe maar gemakkelijk voorspelbare elektrische stroom langs het gouden raster, waardoor de verplaatsing van het raster buiten het vlak wordt aangedreven.

"Dit is het eerste kunstmatige zachte oppervlak dat snel genoeg is om een ​​continu vormveranderend proces in de natuur nauwkeurig na te bootsen," zei Ni. "Een belangrijke vooruitgang is het structurele ontwerp dat een ongebruikelijke lineaire relatie tussen de elektrische ingangen en de resulterende vorm mogelijk maakt, waardoor het gemakkelijk is om erachter te komen hoe spanningen moeten worden toegepast om een ​​breed scala aan doelvormen te bereiken."

Het nieuwe "metasurface" pronkt met een breed scala aan morphing- en nabootsingsvaardigheden. Het creëert uitstulpingen die oprijzen en over het oppervlak bewegen als een kat die onder een deken probeert weg te komen, oscillerende golfpatronen en een overtuigende replica van een vloeibare druppel die druipt en ploft op een vast oppervlak. En het produceert deze vormen en gedragingen bij elke gewenste snelheid of versnelling, wat betekent dat het die opgesloten kat of druppelende druppel opnieuw kan bedenken in slow motion of snel vooruit.

Met camera's die het veranderende oppervlak in de gaten houden, kan het slangenoppervlak ook leren om zelf vormen en patronen na te bootsen. Door de aangelegde spanningen langzaam aan te passen, neemt een lerend algoritme 3D-beeldfeedback op en berekent het welke effecten de verschillende inputs hebben op de vorm van het meta-oppervlak.

In het papier verschuift een menselijke handpalm met 16 zwarte stippen langzaam onder een camera en het oppervlak weerspiegelt de bewegingen perfect.

"De besturing hoeft niets te weten over de fysica van de materialen, het neemt alleen kleine stapjes en kijkt of het dichter bij het doel komt of niet," zei Ni. "Het duurt momenteel ongeveer twee minuten om een ​​nieuwe vorm te bereiken, maar we hopen uiteindelijk het feedbacksysteem en het leeralgoritme te verbeteren tot het punt dat het bijna realtime is."

Omdat het oppervlak zichzelf leert te bewegen met vallen en opstaan, kan het zich ook aanpassen aan schade, onverwachte fysieke beperkingen of veranderingen in de omgeving. In één experiment leert het snel een uitpuilende heuvel na te bootsen, ondanks dat een van de balken is doorgesneden. In een andere slaagt het erin om een ​​vergelijkbare vorm na te bootsen, ondanks dat er een gewicht aan een van de knooppunten van het raster wordt bevestigd.

Er zijn veel directe mogelijkheden om de schaal en configuratie van het zachte oppervlak uit te breiden. Een reeks oppervlakken kan bijvoorbeeld de grootte vergroten tot die van een aanraakscherm. Of fabricagetechnieken met hogere precisie kunnen de grootte verkleinen tot één millimeter, waardoor het meer geschikt is voor biomedische toepassingen.

In de toekomst wil Ni robotachtige meta-oppervlakken maken met geïntegreerde vormgevoelige functies om realtime vorm na te bootsen van complexe, dynamische oppervlakken in de natuur, zoals de waterrimpelingen, visvinnen of het menselijk gezicht. Het lab kan ook onderzoeken of er meer componenten in het prototype kunnen worden geïntegreerd, zoals ingebouwde stroombronnen, sensoren, rekenhulpmiddelen of draadloze communicatiemogelijkheden.

"Samen met het streven naar het creëren van programmeerbare en robotachtige materialen, stellen we ons voor dat toekomstige materialen zichzelf kunnen veranderen om functies dynamisch en interactief te dienen", zei Ni. "Dergelijke materialen kunnen eisen of informatie van de gebruikers voelen en waarnemen, en transformeren en aanpassen aan de realtime behoeften van hun specifieke prestaties, net als de microbots in Big Hero 6. Het zachte oppervlak kan toepassingen vinden als een telebediende robot, dynamische 3D-weergave, camouflage, exoskelet of andere slimme, functionele oppervlakken die kunnen werken in ruwe, onvoorspelbare omgevingen." + Verder verkennen

Aquabots:ultrazachte vloeibare robots voor biomedische en milieutoepassingen