Transformando conjuntos robóticos em materiais inteligentes que imitam a vida

Os pesquisadores projetaram grupos de robôs que se comportam como materiais inteligentes com forma e força ajustáveis, imitando sistemas vivos. “Descobrimos uma maneira de os robôs se comportarem mais como um material”, disse Matthew Devlin, ex -pesquisador de doutorado no Laboratório da Universidade da Califórnia, professor de engenharia mecânica de Santa Barbara (USCB), Elliot Hawkes, e o principal autor de o artigo publicado na revista Ciência.

Composto por robôs autônomos individuais em forma de disco que parecem pequenos discos de hóquei, os membros do coletivo são programados para se reunirem em várias formas com diferentes forças materiais.

Um desafio de interesse particular para a equipe de pesquisa era criar um material robótico que poderia ser rígido e forte, mas poder fluir quando for necessário um novo formulário. “Os materiais robóticos devem ser capazes de tomar uma forma e segurá -lo” Hawkes explicou “, mas também capaz de fluir seletivamente em uma nova forma”. No entanto, quando os robôs são fortemente mantidos entre si em um grupo, não foi possível reconfigurar o grupo de uma maneira que possa fluir e mudar de forma à vontade. Até agora.

Para inspiração, os pesquisadores aproveitaram o trabalho anterior sobre como os embriões são fisicamente moldados por Otger Campàs, um ex -professor da UCSB e atualmente diretor do cluster de física da vida de excelência (POL) na Universidade de Tecnologia de Dresden.

“Os tecidos embrionários vivos são os materiais inteligentes finais”, disse ele. “Eles têm a capacidade de se auto-fazer, se auto-curar e até controlar sua força material no espaço e no tempo”.

Enquanto estava na UCSB, seu laboratório descobriu que os embriões podem derreter como vidro para se moldar. “Para esculpir um embrião, as células nos tecidos podem alternar entre estados fluidos e sólidos; um fenômeno conhecido como transição de rigidez na física”, acrescentou.

Durante o desenvolvimento de um embrião, as células têm a capacidade notável de se organizarem, transformando o organismo de uma mancha de células indiferenciadas em uma coleção de formas discretas – como mãos e pés – e de várias consistências, como ossos e cérebro.

Os pesquisadores concentraram -se em permitir três processos biológicos por trás dessas transições de rigidez: as forças ativas que o desenvolvimento de células se aplicam umas às outras que lhes permitem se movimentar; A sinalização bioquímica que permite que essas células coordenem seus movimentos no espaço e no tempo; e sua capacidade de aderir um ao outro, que finalmente empresta a rigidez da forma final do organismo.

No mundo dos robôs, o equivalente à adesão célula-célula é alcançado com ímãs, que são incorporados ao perímetro das unidades robóticas. Isso permite que os robôs se mantenham um para o outro, e todo o grupo se comportará como um material rígido. Forças adicionais entre células são codificadas em forças tangenciais entre unidades robóticas, ativadas por oito engrenagens motorizadas ao longo do exterior circular de cada robô.

Ao modular essas forças entre os robôs, a equipe de pesquisa conseguiu permitir reconfigurações em coletivos completamente bloqueados e rígidos, permitindo que eles remodelassem. A introdução de forças entre unidades dinâmicas superou o desafio de transformar coletivos robóticos rígidos em materiais robóticos maleáveis, espelhando tecidos embrionários vivos.

Enquanto isso, a sinalização bioquímica é semelhante a um sistema de coordenadas globais. “Cada célula ‘sabe’ sua cabeça e cauda, ​​então ele sabe para que caminho espremer e aplicar forças”, explicou Hawkes. Dessa maneira, o coletivo das células consegue mudar a forma do tecido, como quando elas se alinham um ao lado do outro e alongra o corpo. Nos robôs, esse feito é realizado por sensores de luz na parte superior de cada robô, com filtros polarizados.

Quando a luz é brusca sobre esses sensores, a polarização da luz diz a eles em que direção girar suas engrenagens e assim como mudar a forma. “Você pode apenas dizer a eles de uma só vez em um campo de luz constante em que direção você deseja que eles váem, e todos podem se alinhar e fazer o que precisam fazer”, acrescentou Devlin.

Com tudo isso em mente, os pesquisadores foram capazes de sintonizar e controlar o grupo de robôs para agir como um material inteligente: seções do grupo ligavam forças dinâmicas entre robôs e fluidizavam o coletivo, enquanto em outras seções os robôs simplesmente segurariam um sobre o outro para criar um material rígido. A modulação desses comportamentos em todo o grupo de robôs ao longo do tempo permitiu que os pesquisadores criassem materiais robóticos que suportam cargas pesadas, mas também podem remodelar, manipular objetos e até mesmo curar.

Atualmente, o grupo robótico de prova de conceito compreende um pequeno conjunto de unidades relativamente grandes (20). No entanto, simulações realizadas pelo ex -colega de pós -doutorado Sangwoo Kim no Laboratório Campàs e agora professor assistente da EPFL, indica que o sistema pode ser escalado para um número maior de unidades miniaturizadas. Isso pode permitir o desenvolvimento de materiais robóticos que compreendem milhares de unidades, que podem assumir inúmeras formas e ajustar suas características físicas à vontade, mudando o conceito de objetos que temos hoje.

Além de aplicações além da robótica, como o estudo da matéria ativa em física ou comportamento coletivo na biologia, a combinação desses conjuntos robóticos com estratégias de aprendizado de máquina para controlá -las pode produzir capacidades notáveis ​​em materiais robóticos, trazendo um sonho de ficção científica à realidade .