olaraq formasını dəyişə bilən yeni növ yumşaq materialı inkişaf etdirdilər, bu kəşf robototexnikadan tibbə qədər müxtəlif sahələr üçün “yumşaq maşınları” inkişaf etdirə bilər.

Maye kristal elastomer (LCE) adlanan yeni material maye kristalları dartılan materialın molekulyar strukturuna daxil etməklə hazırlanır. LCE materialına qızıl nanorodlar əlavə edərək, elm adamları və mühəndislər, materialda lokallaşdırılmış istiləşməyə səbəb olan lazerə məruz qaldıqda əyilmək, sürünmək və hərəkət etmək üçün edilə bilən foto həssas mürəkkəblər və 3D çap strukturları yaratdılar.

Matter jurnalında dərc olunmuş məqalələrində təsvir olunduğu kimi , LLNL komandası Harvard Universiteti, Şimali Karolina Dövlət Universiteti və Pensilvaniya Universitetindən olan əməkdaşları ilə birlikdə müxtəlif işığa cavab verən obyektlər yaratmaq üçün birbaşa mürəkkəblə yazı çapı texnikasından istifadə ediblər. , o cümlədən yuvarlana bilən silindrlər, irəli gedə bilən asimmetrik “sürücülər” və salınan şəbəkə strukturları. Tədqiqatçılar şəklin dəyişməsini fotohəssaslıq ilə birləşdirərək, yeni növ materialın insanların maşın və materiallar haqqında düşüncə tərzini dəyişdirə biləcəyini söylədi.

“LLNL-də biz bir müddətdir ki, statik materialların və arxitekturaların inkişafına diqqət yetirmişik” dedi baş müstəntiq Caitlyn Krikorian (Kuk).

“Biz iyerarxik qəfəslər kimi bu mürəkkəb tipli strukturları yaratdıq və hətta birdəfəlik forma yaddaş reaksiyasına malik olan forma yaddaş polimerləri kimi daha həssas materialları araşdırmağa başladıq. Lakin Laboratoriya həqiqətən də bu mövzunu dərindən araşdırmamışdı. 3D-dən 3D tipinə forma dəyişikliyinə gedə bilən arxitekturaların yaradılması. Bu layihə memarlıq və bu yeni materialların əvvəllər araşdırmadığımız unikal hərəkət rejimlərinə necə sahib ola biləcəyini göstərməyə başlayır.”

Tədqiqatçılar bildiriblər ki, yeni material xarici stimullara cavab verə bilən və hətta canlı orqanizmlərin hərəkət və davranışlarını təqlid edə bilən “yumşaq maşın” – bu çevik LCE kompozit materiallarından hazırlanmış bir maşın növü yaratmaq üçün istifadə edilə bilər.

Forma dəyişdirən materialdan hazırlanmış yumşaq robotlar sürünə, üzə və ya uça və mağaralar və ya kosmos kimi insanlar üçün çox çətin və ya təhlükəli olan mühitləri araşdıra bilər. Yumşaq maşınlar həmçinin tibbi tətbiqlərdə, məsələn, bədənin hərəkətlərinə uyğunlaşa bilən implantasiya edilə bilən cihazlar və ya təbii üzvlər kimi hərəkət edən protez üzvlər və metal və ya plastik kimi sərt materiallardan hazırlanmış maşınlarla mümkün olmayan digər tətbiqlərdə də istifadə oluna bilər. .

Carnegie Mellon Universitetində postdok olarkən cavab verən materiallar üzərində işləməyə başlayan qəzetin aparıcı müəllifi Maykl Ford, “Rigid robotlar insanların qarşılıqlı əlaqədə olması üçün bəlkə də ideal olmaya bilər, ona görə də bizə daha uyğun sistemlər və materiallar lazımdır” dedi.

“Siz robotlarımızı təşkil edən komponentlərlə başlayırsınız və bu komponentlərdən biri də aktuatordur. Bu materiallar buradan daxil olur; onlar potensial olaraq aktuator ola bilər. Bu, hesablama mürəkkəbliyini azaldır; siz bortda olandan xilas olan material hazırlayırsınız. elektronika və onları bütün bunları edə bilən tək materialla əvəz etmək. Bu, başqa bir komponentə daha çox hesablama mürəkkəbliyi qoymağa və ya ənənəvi sərt materiallarla edə bilməyəcəyiniz gücü digər sensorlara sürməyə imkan verəcək.”

Tədqiqatçılar bildiriblər ki, LCE materialının hərəkəti ilk növbədə işıq enerjisinin istilik enerjisinə çevrilməsini nəzərdə tutan fototermal hərəkət kimi tanınan proses tərəfindən idarə olunur və nəticədə materialdan mexaniki reaksiya yaranır. İşıq, qızıl nanorodlar və LCE matrisi arasındakı qarşılıqlı əlaqə ilə idarə olunan proses çap strukturlarına xarici stimullara cavab olaraq dinamik və geri dönən hərəkətlər nümayiş etdirməyə imkan verir .

Kuk izah etdi : “Sizdə bu kompozit material olduqda – bu maye kristal elastomerlərdə bu qızıl nanorodlar – fototermal təsir göstərir”.

“[İnfraqırmızı] işıqla o, isitmə effekti yaradır, bu da düzlənmiş molekulların yanlış hizalanmasına səbəb olur. Bu yanlış hizalanma prosesi zamanı, vahid istilik varsa, siz qlobal forma dəyişikliyinə malik olacaqsınız. Amma bu halda, biz lokallaşdırılmış ola bilərik. istilik dəyişikliyi, bu şəkildə lokallaşdırılmış forma bölgələrini hərəkət kimi hərəkətlər etmək üçün əldə edə bilərsiniz.”

Tədqiqatda tədqiqatçılar çap edilmiş silindrin hərəkətini idarə etmək üçün kameralar və izləmə proqram təminatının daxil olduğu kompüter görmə sistemindən istifadə ediblər. İzləmə sistemi yuvarlanan silindrin mövqeyini izləyir və silindrin kənarını raster etmək üçün lazerin mövqeyini davamlı olaraq tənzimləyirdi. Bu davamlı izləmə və tənzimləmə silindrin yuvarlanma hərəkətini idarə olunan şəkildə saxlamağa imkan verdi.

Tədqiqatçılar silindrin fototermal hərəkəti ilə kompüter görmə qabiliyyətindən istifadə edərək, yumşaq robototexnika və yumşaq maşınlar sahəsində qabaqcıl idarəetmə sistemlərinin potensialını nümayiş etdirərək, yumşaq maşının hərəkətinin mürəkkəb manipulyasiya səviyyəsinə nail oldular. Komanda həmçinin yumşaq maşınların məftil daşıyan hərəkət edən silindr kimi faydalı işləri yerinə yetirə bilməsi üçün həssaslığın idarə oluna biləcəyini göstərdi.

“[Aparıcı müəllif Ford] çap silindrinin hərəkətini idarə etmək üçün kompüter görmə qabiliyyətindən istifadə etmək və onu hərəkət etməyə məcbur etmək üçün raster lazerdən istifadə etməkdə bəzi zəhmli iş gördü” dedi həmmüəllif Elaine Lee.

“Ancaq siz daha mürəkkəb hərəkətə başladıqdan sonra, məsələn, çap edilmiş şəbəkədə müxtəlif raster sürətlərindən və işıq intensivliyindən istifadə edərək, onun müxtəlif rejimlərdə hərəkətinə səbəb olursunuz – bunlar əslində bizim yüksək performanslı hesablama (HPC) simulyasiyalarımızdan kənarda idi. proqnozlaşdıra bildilər, çünki bu kodlar o qəfəsdə vahid istilik və ya stimul gözləyir.”

“Beləliklə, işləmə sürətlərini və hansı işıq dozalarının bu çap arxitekturasından hərəkətə səbəb ola biləcəyini öyrənmək üçün kompüter görmə və maşın öyrənməsindən istifadə materiallarımızın necə reaksiya verəcəyini anlamaqda bizi daha da irəli aparacaq.”

Tədqiqatçılar, materialın praktik tətbiqlərdə istifadə edilməzdən əvvəl aradan qaldırılmalı olan bəzi çətinliklərin hələ də olduğunu söylədi. Komanda müəyyən etdi ki, onların yaratdığı strukturlar çevrilə və ya başqa gözlənilməz hərəkətlər göstərə bilər və bununla da xüsusi hərəkət rejimlərinin layihələndirilməsini çətinləşdirir.

Onlar gələcək maşınları daha yaxşı dizayn etmək üçün mürəkkəb hərəkəti təsvir edə bilən modellər üzərində işləməyə davam edəcəklərini və müxtəlif tətbiqlər üçün daha davamlı, etibarlı və səmərəli yumşaq maşınlar yaratmaq üçün yeni materiallar və istehsal üsullarını inkişaf etdirəcəklərini söylədilər. Yeni idarəetmə sistemləri və kompüter alqoritmləri yumşaq maşınların daha ağıllı və avtonom şəkildə hərəkət etməsinə və ətraf mühitlə qarşılıqlı əlaqədə olmasına imkan verə bilər.

Cook, komandanın istilik və işıq stimullarından başqa, müxtəlif növ stimullara cavabları rütubət və enerji udma və materialın kosmosda yaşaya biləcəyi şərtlər kimi sahələrə daxil etməyə baxdığını söylədi. O əlavə etdi ki, komanda muxtar materiallara diqqət yetirmək və həssas materiallara “iynəni hərəkət etdirmək” üçün Laboratoriyada yeni Strateji Təşəbbüs başlatmağa baxır.

“Biz hamımız materialları hiss edə, cavab verə bilən, proqramlaşdırıla bilən, öyrənən, qərar verə bilən və ünsiyyət qura bilən daha avtonom, həssas materiallara çevirməyin yolları üzərində düşünürük” dedi Kuk.

“Bu maye kristal elastomerlər həssas materiallardır – onlar bir stimulu hiss edə və cavab verə bilirlər və hər dəfə təkrar cavab verəcəklər – lakin onun yaddaş hissi və ya təkrarlanan stimulları öyrənmək və buna uyğun cavab vermək üçün bir yolu yoxdur. potensial olaraq onu hansısa mexaniki hesablama ilə birləşdirə bilməkdən başqa hələ ünsiyyət vasitəsi yoxdur.Bunlar, həqiqətən də, səy göstərdiyimiz materiallardır və bu, 5-10 illik səylər müddəti ola bilər. .”

Daha çox məlumat: Michael J. Ford et al, Movement with light: Çap edilmiş maye kristal elastomerlərin fotocavablı forma dəyişməsi, Matter (2024). DOI: 10.1016/j.matt.2024.01.006

Lawrence Livermore Milli Laboratoriyası tərəfindən təmin edilmişdir