Ingewikkelde natuurlijke formaties zoals stervormige zandduinen of boogvormige rotsen kunnen zo doelgericht lijken dat het gemakkelijk is om je af te vragen of iemand ze heeft ontworpen. Wetenschappers hebben lang erkend dat een bepaalde combinatie van willekeurige en chaotische energievelden, voor een lange tijd, aanleiding geven tot dit soort unieke formaties die overal op onze aardbol staan. Enkele, echter, zijn erin geslaagd deze natuurlijke fenomenen te repliceren.

Onderzoekers van de Finse Aalto University hebben nu een manier gevonden om de natuurlijke processen na te bootsen die complexe vormen en landschappen creëren met behulp van een trillende plaat en resulterende energievelden. De resultaten worden gepubliceerd op 22 september 2021 in wetenschappelijke vooruitgang .

Om het effect te creëren, het team verdeelde tot 100 deeltjes kleine metalen balletjes - zoals die vaak worden gebruikt bij het solderen - op een siliciumplaat van 5x5 cm. Dankzij een camera en een slim algoritme kon het team de deeltjes volgen en manipuleren in de gewenste vormen, als letters van het alfabet, terwijl de plaat trilde, het creëren van niet-lineaire energievelden.

"We hebben de camera gebruikt om de locatie van de deeltjes te bepalen, en het algoritme selecteerde de meest geschikte trillingsfrequentie om de deeltjes in de gewenste richting te bewegen. De deeltjes bewegen in een bepaalde richting over de plaat, afhankelijk van de trillingsfrequentie, en dezelfde frequentie kan zeer verschillende bewegingsrichtingen veroorzaken in verschillende delen van de plaat, " legt professor Quan Zhou uit, wie leidt de onderzoeksgroep achter de bevindingen.

De onderzoekers waren verbaasd over hoe goed het slimme algoritme de beweging van de deeltjes op verschillende frequenties kon voorspellen, ondanks de complexiteit van hun beweging. Het algoritme minimaliseerde efficiënt het verschil tussen de doelvorm en de werkelijke deeltjesverdeling op de plaat.

"De beweging van de deeltjeszwerm is vergelijkbaar met natuurlijke fenomenen waarbij natuurlijke materialen worden gevormd door de kracht van wind en water. De methode zou op zowel kleinere als grotere schaal moeten werken, en zou veel toekomstige toepassingen kunnen hebben waar het gebruik van handen of gereedschap moeilijk is, ", zegt promovendus Artur Kopitca.

Typisch, het vervaardigen van een product met een bepaalde vorm vereist een mal of een paar bekwame handen. De onderzoekers geloven dat hun door de natuur geïnspireerde methode kan worden gebruikt om cellen te sorteren in medisch en biowetenschappelijk onderzoek of als industriële productiemethode.

Een belangrijke vraag die open blijft, echter, is hoeveel deeltjes kunnen worden gecontroleerd en hoe het proces kan worden geïntegreerd met andere systemen met vergelijkbare dynamische eigenschappen, zoals turbulente stromingen.

De onderzoeksgroep van professor Zhou bestudeerde eerder de eigenschappen van trilplaten en hoe ze kunnen worden gebruikt om deeltjes langs een bepaalde route of naar een eindbestemming te geleiden. Dit is de eerste keer dat ze hebben geprobeerd vormen te creëren door natuurlijke fenomenen na te bootsen.