По сообщениям американских СМИ, исследовательский коллектив, возглавляемый учеными из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и Дрезденского университета, разработал коллективного робота, который получил свойства умного материала, способного изменять форму и состояние. Такой коллективный робот-трансформер может двигаться и адаптироваться к внешним условиям, подобно живым клеткам, действовать сообща, например, поддерживать значительную нагрузку. Созданные таким образом умные материалы могут изменять свою форму в ответ на внешнее воздействие, что делает их незаменимыми во многих областях применения, включая медицинское оборудование и автомобили.
Как указывается, ученые в своих исследованиях были вдохновлены биологическими процессами эмбрионального развития, во время которого набор, казалось бы, простых клеток превращается в ткани и органы благодаря скоординированным движениям и изменению механических свойств. В пресс-релизе один из соавторов исследования, профессор Дж. Отгер Кампас (Otger Campàs), доктор биологических наук, объяснил: “Живые эмбриональные ткани - это в высшей степени интеллектуальные материалы. Клетки эмбрионов могут изменять состояние тканей между жидким и твердым, формируя их сами по себе”.
Чтобы воспроизвести текучесть и движение эмбриональных клеток, исследователи определили три биологических процесса, происходящих во время эмбрионального развития — разжижение, поляризацию и адгезию. При этом эмбриональные ткани могут переходить из жидкого в твердое состояние благодаря внутренним силам в клетках. Это позволяет им перемещаться друг относительно друга, как это делает жидкость, перестраиваться и стабилизироваться подобно твердому телу. Процесс поляризации позволяет эмбриональным клеткам ориентироваться в определенном направлении, соответствующим образом прикладывать направленные силы. Другими словами, клетки могут располагаться таким образом, что силы в них могут прикладываться организованным, направленным образом, а не случайным. Наконец, эмбриональные клетки сохраняют связи или адгезию со своими соседями даже при перестройке, что в конечном итоге обеспечивает структурную прочность после формирования органов.
Эти три процесса были ключевыми при разработке исследователями коллективного робота, способного перестраиваться и формировать сложные формы.
Каждый робот в системе представляет собой круглый диск, похожий на хоккейную шайбу, шириной пять сантиметров.
Роботы питаются от встроенного литий-ионного аккумулятора, обеспечивающего 30 минут непрерывной работы. По периметру роботов расположены восемь шестеренок, которые облегчают движение друг относительно друга. Кроме того, вращающиеся магниты, встроенные по периметру, обеспечивают сцепление с соседними роботами. Каждый робот оснащен датчиком освещенности с поляризованными фильтрами сверху, который может определять направление поляризованного света, что указывает каждому роботу, в какую сторону вращать свои шестеренки.
Каждый робот запрограммирован на два параметра — направление поляризованного света, которое указывает ему, в каком направлении двигаться, и интенсивность поляризованного света, которая определяет, с какой силой двигаться и насколько сильно применять собственные силы. Программирование создает набор правил “если - то” (если свет исходит с этого направления и имеет такую интенсивность, то двигайтесь в эту сторону). Это создает гибкую систему управления, в которой исследователи смогли направлять коллективное поведение роботов без необходимости программировать новые инструкции для каждого желаемого движения или формы.
Как было продемонстрировано исследователями, команда из 20 роботов обретала свойства твердого состояния и могла поменять состояние на свойства жидкого вещества с помощью контролируемых колебаний интенсивности света. На демонстрационных показах две группы роботов могли тянуться друг к другу и соединяться, образуя мост, способный выдержать вес в пять килограммов, в то время как другие устройства могли выдержать взрослого человека весом до 70 килограммов. Такой коллективный робот мог обтекать предметы, принимать формы, похожие на гаечные ключи и прочее.
Исследователи подчеркивают, что это только первый шаг к созданию адаптивных материалов, которые ранее можно было увидеть только в научной фантастике.
Детальная информация по этим исследованиям опубликована в журнале Science.
