Трансформерси постају стварност: Нови метаматеријали могу да мењају облик

Метаматеријали омогућавају да се столица претвори у сто, роботска хватаљка промени облик, а електричне везе наставе да функционишу као да се ништа није догодило. Звучи као технологија из „Трансформерса“, али научници са MIT-а успели су да направе управо такве конструкције.

Нови сет модуларних компоненти омогућава израду паметних уређаја којима се може мењати облик, а електричне везе остају функционалне без обзира на то какав облик конструкција поприми.

Ова електрична модуларност могла би инжењерима да омогући пројектовање интерактивних уређаја који могу да препознају облик у који су се преобликовали, без потребе за спољним жицама. На пример, модуларне компоненте, које истраживачи називају „бифур-колима“ (bifur-circuits), могле би да се користе за брзо пројектовање и израду прототипова прилагодљивих паметних уређаја, попут помоћног намештаја који људима помаже да мењају положај тела током опоравка од повреда или роботских хватаљки којима се може мењати облик, а које остају електрично повезане када мењају облик за различите намене.

Ове тродимензионално штампане елементе развили су истраживачи са Масачусетског института за технологију (MIT). Они представљају врсту структуре познату као механички метаматеријал, а могу се комбиновати тако да формирају много већи број различитих конфигурација него традиционалне структуре од метаматеријала.

У новој студији истраживачи су демонстрирали неколико интерактивних предмета, међу којима је и столица која се претвара у сто са простором за одлагање, а може и да се спусти у равну форму ради складиштења. Конструкција препознаје у којој се конфигурацији налази и шаље одговарајуће поруке електронском дисплеју, пише MIT News.

Ови нови метаматеријали могли би да се користе и за пројектовање антена за комуникацију и сензорске системе, које би могле да мењају облик како би прилагодиле своје фреквенције променљивим условима у окружењу, без гломазних механичких делова.

– Метаматеријали могу да олакшају производњу сложених механичких склопова једноставним коришћењем понављајућих јединица. Наш рад проширује могућности оваквог пројектовања. Ако механичке метаматеријале посматрамо као грађевинске елементе, наш рад је један од начина да се њихова геометрија искористи за уграђивање урођене интелигенције у хардвер, што би могло да отвори бројне могућности – каже Марва Алалави, студенткиња постдипломских студија машинства и прва ауторка рада о овим уређајима.

Научни тим предводили су Марва Алалави, Тича Сетапакди, студент постдипломских студија електротехнике и рачунарства (EECS) на MIT-у, и Стефани Милер, ванредна професорка на одељењима за електротехнику и рачунарство и машинство на MIT-у и руководилац Групе за интеракцију човека и рачунара при Лабораторији за рачунарске науке и вештачку интелигенцију (CSAIL). У истраживању су учествовали и други научници са MIT-а, Универзитета у Токију и Универзитета у Мичигену.

Метаматеријали – конструкције које мењају облик и интерактивно реагују

Механички метаматеријали су тродимензионалне структуре састављене од понављајућих јединица које, захваљујући својој геометрији, могу да поприме сложене облике. Када се стисну, гурну или повуку, метаматеријали могу да се савијају или увијају на прецизно одређене начине.

На пример, „ауксетички“ метаматеријали се приликом растезања шире, уместо да се сужавају.

Истраживачи са MIT-а користили су ауксетичке метаматеријале за израду антена којима се може мењати облик и које су могле да поприме три различите форме, у зависности од тога како је конструкција растегнута. То је антени омогућило да динамички прилагођава опсег фреквенција без сложених покретних делова.

Истраживачи су затим желели да повећају број могућих конфигурација антена, али су били ограничени тиме што су ауксетички метаматеријали могли да поприме само три унапред одређена облика.

Зато су истраживачи направили „бифур-кола“ (bifur-circuits), ауксетичке метаматеријале који могу да поприме много више облика, у зависности од тога како су модуларне јединице међусобно повезане и ротиране.

Јединице су такође пројектоване тако да буду електрично модуларне. Захваљујући начину на који је проводни материјал уграђен у бифур-кола, електричне везе кроз целу конструкцију остају очуване без обзира на то како се предмет ротира, притиска или увија да би попримио нови облик.

ФОТО: Компас/Илустрација

Да би направили интерактивне предмете са великим бројем могућих конфигурација, истраживачи су искористили својство познато као механичка бифуркација.

Механичка бифуркација је нагла промена у начину на који се механизам понаша када сила која делује на њега пређе одређену критичну тачку. На пример, када благо савијате крајеве пластичног лењира, у тренутку када сила достигне критичну границу, лењир се нагло извије.

Код бифур-кола, до ове бифуркације долази када се повезани блокови ротирају на одређене начине око тачке ослонца. Захваљујући том својству, повезани блокови могу да формирају стабилније конфигурације него што би то могао један блок самостално.

Додавањем већег броја бифур-кола у конструкцију, број могућих конфигурација повећава се експоненцијално.

– Бифуркација нам омогућава да значајно проширимо простор могућих конфигурација. Додавањем само једне додатне јединице добијамо велики број нових комбинација у оквиру исте конструкције – каже Алалави.

Повезивањем и ротирањем компоненти активира се јединствено електрично коло између суседних јединица. Захваљујући овој интерактивности, јединице могу да комуницирају једна са другом, што конструкцији омогућава да препозна у којој се конфигурацији налази.

Један од највећих изазова са којима су се истраживачи суочили био је проналажење проводног материјала који је довољно флексибилан да може да се савија, али истовремено омогућава довољно ефикасан проток електричне струје.

– Проводни материјал био је ограничење које смо морали да узмемо у обзир током процеса пројектовања, а од њега је зависило и на који начин ће се одвијати детекција између блокова – каже Алалави.

Након што су усавршили дизајн, истраживачи су испитали издржљивост конструкција којима се може мењати облик тако што су их компресовали више од 10.000 пута. Конструкције при том нису показале никакво погоршање електричне повезаности.

Истраживачи су развили и једноставан алат за пројектовање и симулацију, како би олакшали израду бифур-кола. Софтвер генерише упутства за тродимензионални штампач који користи више материјала и који може да изради објекте којима се мења облик у једном пролазу.

Свестраност бифур-кола показали су израдом столице која може да препозна своју геометрију када се њен облик промени у сточић за чај, као и контролера који мења облик и који, у зависности од своје конфигурације, покреће једну од неколико видео-игара.

Бифур-кола би једног дана могла да се користе за интерактивна помагала у рехабилитацији, хватаљке које мењају облик и које би биле део модуларних меких робота, као и за склоништа којима се може мењати облик и која би могла да реагују на промене услова у окружењу након природне катастрофе.

У будућности истраживачи желе да испитају и друге могуће примене бифур-кола. Такође желе да у конструкције уграде још више интерактивних функција и истраже додатне облике метаматеријала.

– Бифур-кола су један корак ка развоју механичких грађевинских елемената са уграђеном интелигенцијом. Било би занимљиво наставити овај рад и осмислити грађевинске елементе који би нам омогућили да направимо конструкцију било ког облика који пожелимо, а која би истовремено била структурно стабилна и могла да се покреће – каже Алалави.