O ‘metabot’ magnético pode expandir, assumir novas formas e se mover como um robô – mas sem motor ou engrenagens internas

Em um experimento remanescente da franquia de filmes “Transformers”, os engenheiros da Universidade de Princeton criaram um tipo de material que pode se expandir, assumir novas formas, mover e seguir comandos eletromagnéticos como um robô controlado remotamente, mesmo que não tenha nenhum motor ou engrenagem interna.

“Você pode transformar entre um material e um robô, e é controlável com um campo magnético externo”, disse o pesquisador Glaucio Paulino, professor de engenharia de Margareta Engman Agostinho em Princeton.

Em um artigo publicado em Natureza, Os pesquisadores descrevem como se inspiraram na arte dobrável de origami para criar uma estrutura que obscurece as linhas entre robótica e materiais. A invenção é um metamaterial, que é um material projetado para apresentar propriedades novas e incomuns que dependem da estrutura física do material e não de sua composição química.

Nesse caso, os pesquisadores construíram seu metamaterial usando uma combinação de plásticos simples e compostos magnéticos personalizados. Usando um campo magnético, os pesquisadores mudaram a estrutura do metamaterial, fazendo com que ele se expanda, se mova e se deforme em direções diferentes, tudo remotamente, sem tocar no metamaterial.

A equipe chamou sua criação de “metabot” – um metamaterial que pode mudar sua forma e se mover.

“Os campos eletromagnéticos carregam energia e sinal ao mesmo tempo. Cada comportamento é muito simples, mas quando você os junta, o comportamento pode ser muito complexo”, disse Minjie Chen, autor do artigo e professor associado de engenharia elétrica e de computadores no Andlinger Center for Energy and the Environment em Princeton. “Esta pesquisa ultrapassou os limites dos eletrônicos de energia, demonstrando que o torque pode ser passado remotamente, instantaneamente e precisamente a uma distância para desencadear movimentos robóticos complexos”.

O metabot é uma conglomeração modular de muitas células unitárias reconfiguráveis ​​que são imagens espelhadas uma da outra. Esse espelhamento, chamado quiralidade, permite um comportamento complexo. Tuo Zhao, pesquisador de pós -doutorado no laboratório de Paulino, disse que o Metabot pode fazer grandes contorções – sobreviver, contratar e encolher – em resposta a um simples impulso.

Xuanhe Zhao, especialista em materiais e robótica que não estava envolvido na pesquisa, disse que “o trabalho abre uma avenida nova e emocionante em design e aplicações de origami”.

“O trabalho atual alcançou metamateriais mecânicos extremamente versáteis, controlando a montagem e o estado quiral dos módulos”, disse Zhao, professor de Uncas e Helen Whitaker do MIT. “A versatilidade e a funcionalidade potencial dos metamateriais modulares e quirais de origami são realmente impressionantes”.

Davide Bigoni, professor de mecânica sólida e estrutural da Universita ‘Di Trento, na Itália, chamou o trabalho inovador e disse que poderia “impulsionar uma mudança de paradigma em vários campos, incluindo robótica macia, engenharia aeroespacial, absorção de energia e termorregulação espontânea”.

Explorando as aplicações de robótica da tecnologia, Tuo Zhao, um autor do artigo, usou uma máquina de litografia a laser no Princeton Materials Institute para criar um metabot de protótipo com 100 microns de altura (um pouco mais grosso que um cabelo humano). Os pesquisadores explicaram que robôs semelhantes poderiam um dia entregar medicamentos a partes específicas do corpo ou ajudar os cirurgiões a reparar ossos ou tecidos danificados.

Os pesquisadores também usaram o metamaterial para criar um termorregulador que funciona mudando entre uma superfície preta que absorve luz e uma reflexiva. Em um experimento, eles expuseram o metamaterial à luz solar brilhante e foram capazes de ajustar a temperatura da superfície de 27 graus Celsius (80 graus Fahrenheit) a 70 ° C (158 F) e de volta novamente.

Outro uso possível está em aplicações para antenas, lentes e dispositivos que lidam com comprimentos de onda da luz.

A geometria mantém a chave do novo material. Os pesquisadores construíram tubos de plástico com suportes de suporte dispostos para que os tubos torçam quando comprimidos e compactados quando torcidos. Em origami, esses tubos são chamados padrões de kresling. Os pesquisadores criaram os blocos de construção de seu design, conectando dois tubos de kresling de imagem espelhada na base para criar um longo cilindro. Como resultado, uma extremidade do cilindro se dobra quando torcida em uma direção e a outra extremidade se dobra quando torcida na direção oposta.

Esse padrão simples de tubos de repetição permite mover cada seção do tubo de forma independente usando campos magnéticos com precisão projetada. O campo magnético faz com que os tubos de kresling torçam, colapssem ou se abrem, criando comportamentos complexos.

Paulino explicou que uma conseqüência da quiralidade-as seções de imagem espelhada-é que o material pode desafiar as regras típicas de ações e reações em objetos físicos.

“Geralmente, se eu torcer um feixe de borracha no sentido horário e depois no sentido anti-horário, ele retorna ao seu ponto de partida”, disse Paulino. O grupo criou um metabot simples que desmorona quando torcido no sentido horário, depois reabre quando torcido no sentido anti -horário – um comportamento normal. No entanto, se torcido na sequência oposta – entre clock -in -time, no sentido horário – o mesmo dispositivo entra em colapso, depois entra em colapso.

Paulino explicou que esse comportamento assimétrico simula um fenômeno chamado histerese, na qual a resposta de um sistema a um estímulo depende da história das mudanças dentro do sistema. Tais sistemas, encontrados em engenharia, física e economia, são difíceis de modelar matematicamente. Paulino disse que o metamaterial oferece uma maneira de simular diretamente esses sistemas.

Um uso mais distante do novo material seria projetar estruturas físicas que imitam o desempenho de portões lógicos feitos com transistores em um computador.

“Isso nos dá um método físico para simular comportamentos complexos, como estados não comutativos”, disse Paulino.

O trabalho foi um esforço conjunto em Princeton. O pesquisador de pós -doutorado Xiangxin Dang, do laboratório de engenharia civil de Paulino, preparou simulações e modelos para analisar a deformação do metamaterial. Konstantinos Manos, um estudante de pós-graduação co-adjudicado pelo Laboratório de Engenharia Elétrica de Chen e pelo laboratório de Paulino, trabalhou para construir o hardware de acionamento magnético e o pesquisador de pós-doutorado Shixi Zang do laboratório de Paulino realizou experimentos e trabalhou com o Prof. JyotirMoy Mandal Mandal e Thermal Design para Design e Construir o Thermoreguator.