Sukurtas „gyvas“ robotų audinys, kuris pats susiderina į vieną ritmą – fizikai kalba apie laiko kristalą

Sekite TechNaujienos Google

Kembridžo ir kitų Europos universitetų fizikai sukūrė eksperimentinę medžiagą, kurios mechaniniai elementai pradeda pulsuoti bendru ritmu. Komanda ją apibūdina kaip mechatroninį metamedžiagos pavyzdį, elgiantįsi panašiai į vadinamąjį laiko kristalą. Tai mokslinis laboratorinis bandymas, o ne jau praktiškai naudojamas savarankiškai judantis robotas.

Spalio 14 dieną Kembridžo universitetas pristatė eksperimentą, atliktą kartu su Birmingamo, Amsterdamo, Liono, Delfto ir Leideno tyrėjais. Eksperimentinė struktūra sujungė elastingus elementus, jutiklius, elektroniką ir pavaras, todėl atskiros dalys galėjo daryti įtaką viena kitos judėjimui.

Laiko kristalo sąvoka fizikoje apibūdina neįprastą pasikartojantį elgesį laike. Šiame eksperimente tyrėjai kalba ne apie atskirus atomus ar molekules, o apie mechaninius elementus, kuriuos galima laikyti mažomis robotizuotomis dalimis. Būtent mastelio pakeitimas daro darbą neįprastą.

Mechatroninė metamedžiaga skiriasi nuo įprastos spyruoklių ar gumos konstrukcijos. Joje įmontuoti jutikliai gali reaguoti į gretimų dalių judėjimą, o pavaros – aktyviai pakeisti būseną. Todėl medžiaga nėra vien pasyvus objektas, kuris deformuojasi veikiamas išorinės jėgos. Ji pati turi galimybę generuoti judėjimą pagal vidines sąveikos taisykles.

Naujausi straipsniai

4 min. skaitymo • prieš 1 val

NASA zondas padėjo atrasti naują Saulės vėjo reiškinį – magnetiniai sūkuriai didėja netikėtu masteliu

4 min. skaitymo • prieš 2 val

Žmogaus skeletas evoliucionavo kitaip nei beždžionių – nauji genetiniai duomenys paaiškina dalį skirtumų

4 min. skaitymo • prieš 2 val

Mikroplastikas vandenyje gali skatinti netikėtas chemines reakcijas – mokslininkai keičia požiūrį

Visi naujausi straipsniai →

Kolektyvinio sinchronizavimosi reiškinių galima rasti ir gamtoje, pavyzdžiui, kai tam tikros biologinės sistemos veikia periodiškai. Tačiau panašumas į gyvą organizmą neįrodo, kad eksperimentinė konstrukcija turi biologines savybes. Mokslininkai naudoja tokius palyginimus fizikos elgesiui apibūdinti, o ne teigia sukūrę gyvą medžiagą.

Vienas įdomiausių eksperimento aspektų yra centrinio valdiklio nebuvimas bendram ritmui susidaryti. Jei gretimi elementai pakankamai nuosekliai veikia vieni kitus, gali atsirasti globalus režimas. Tokiu būdu iš vietinių taisyklių susidaro visos struktūros elgesys. Tai vertinga tyrinėjant, kaip sukurti sistemas, kurioms nereikėtų nuolat centralizuotai skaičiuoti kiekvieno judesio.

Praktiniam robotikos taikymui reikėtų žinoti, kaip tokia sistema reaguoja į pažeistus elementus, papildomas apkrovas ar aplinkos pokyčius. Laboratorijoje veikiantis ritmas nėra pakankamas įrodymas, kad konstrukcija gebės saugiai atlikti užduotis lauke. Todėl mokslininkams dar teks tikrinti patikimumą ir energijos sąnaudas, kol šios idėjos galės virsti inžineriniais gaminiais.

Tyrėjai tikisi, kad panašios aktyvios medžiagos kada nors galėtų prisitaikyti prie besikeičiančių aplinkos sąlygų. Tačiau tokiai vizijai reikės daugiau nei sinchronizuoto ritmo: konstrukcija turėtų patikimai atlikti užduotį, keisti savo formą ir taupiai naudoti energiją. Dėl to dabartinis fizikos eksperimentas yra įdomi pradžia, bet ne rinkai parengtas robotikos sprendimas.

Robotizuotoms struktūroms pritaikytas metamedžiagos principas svarbus todėl, kad gali leisti dalį valdymo funkcijų įgyvendinti pačia medžiagos konstrukcija. Vis dėlto sudėtingesnė elektronika taip pat didina gedimų galimybes ir energijos poreikį. Praktinis pritaikymas reikalautų rasti pusiausvyrą tarp elgesio lankstumo, patikimumo ir gamybos sąnaudų. Kol kas eksperimentas pirmiausia parodo įdomų fizikinį reiškinį.

Ką rodo tyrimas

Struktūros judėjimo sinchronizaciją padėjo sukurti nevienodos krypties sąveikos. Tai reiškia, kad vieno elemento poveikis kitam nėra tiesiog identiškai atkartojamas priešinga kryptimi. Tokie ryšiai gali sukurti kolektyvinį judėjimo režimą, kurio nebūtų lengva pasiekti paprastai sujungus pasyvius mechaninius komponentus.

Praktikoje tyrėjai ieško medžiagų, kurios galėtų keisti judesį ir reaguoti į aplinką be vieno centrinio valdiklio, priimančio kiekvieną smulkų sprendimą. Tai gali būti naudinga kuriant minkštus robotus ar adaptyvias konstrukcijas, tačiau iki masinio pritaikymo dar reikia išspręsti energijos, patikimumo ir valdymo klausimus.

Ši eksperimentinė sistema nėra ‘gyva’ biologine prasme. Ji neturi ląstelių metabolizmo ar dauginimosi, kaip gyvi organizmai. Populiarus palyginimas su gyvu audiniu skirtas perteikti kolektyvinio judėjimo savybę, bet neturėtų klaidinti skaitytojo dėl technologijos pobūdžio.

Tyrimas svarbus ir bendresnei medžiagų fizikai, nes parodo, kaip iš gana paprastų tarpusavyje sąveikaujančių komponentų gali atsirasti naujas bendras režimas. Tokius reiškinius mokslininkai vadina kolektyviniu arba emergentiniu elgesiu.

Ko dar nežinome

Tačiau laboratorijoje sukurtas demonstracinis objektas dar nėra gamybai parengta technologija. Reikės tirti ilgaamžiškumą, reakciją į išorinius trikdžius ir gebėjimą atlikti konkrečias užduotis. Net jei eksperimentas patikimai pasikartoja, jo praktinis mastelio didinimas gali būti sudėtingas.

Ši istorija rodo, kad medžiagų mokslas ir robotika vis labiau persidengia. Ateityje konstrukcijos gali ne vien laikyti apkrovas, bet ir koordinuotai judėti. Tačiau dabartinis rezultatas pirmiausia yra fizikos eksperimentas, kuriame pademonstruotas bendras mechaniškai aktyvių elementų ritmas.