پژوهشگران موفق شدند نسل جدیدی از مواد فعال را توسعه دهند که میتوانند بدون نیاز به کنترل مرکزی حرکت کنند، بخزند، راه بروند و حتی حفاری انجام دهند.
به گزارش سرویس رباتیک تکناک، گروهی از پژوهشگران دانشگاه آمستردام، دانشگاه نیو ساوت ولز و دانشگاه کمبریج در حال بررسی دستهای از مواد موسوم به «ماده فعال» هستند؛ موادی که برخلاف مواد سنتی، انرژی داخلی خود را مصرف میکنند و میتوانند بهصورت پویا به نیروهای محیط واکنش نشان دهند.
مواد معمولی مانند فولاد، بتن، شیشه یا لاستیک فقط زمانی تغییر شکل میدهند که نیرویی خارجی به آنها وارد شود. اما ماده فعال رفتاری متفاوت دارد. این مواد بهطور پیوسته انرژی مصرف میکنند و آن را به حرکت یا تغییرات مکانیکی تبدیل میکنند.
پژوهشگران توضیح دادند طبیعت پر از نمونههای ماده فعال است. حرکت هماهنگ دستههای ماهی، تغییر جهت ناگهانی گروههای پرندگان و بازآرایی سلولهای زنده بدون وجود کنترلکننده مرکزی، نمونههایی از همین رفتار محسوب میشوند.
دانشمندان طی سالهای گذشته تلاش کردند نسخه مصنوعی این سامانهها را در آزمایشگاه بسازند. آنها موفق شدند ساختارهایی متشکل از میلهها، کشهای لاستیکی و موتورهای بسیار کوچک طراحی کنند که میتوانند رفتارهای مکانیکی غیرمعمولی از خود نشان دهند.
در یکی از آزمایشها، پژوهشگران زنجیرهای از میلهها را با موتورهای کوچک به یکدیگر متصل کردند. این موتورها نوعی برهمکنش غیرمتقارن ایجاد میکردند. به این معنا که هر بخش از ساختار، بسته به جهت نیروی واردشده، واکنش متفاوتی از خود نشان میداد.
برای توضیح این پدیده، دانشمندان مثالی ساده مطرح کردند. اگر یک بلیت کاغذی را بین دو انگشت فشار دهید، کاغذ در یک جهت خم میشود و اگر بخش خمشده را بیشتر فشار دهید، ناگهان به سمت مخالف تغییر وضعیت میدهد. در مواد معمولی، این تغییر شکل فقط یکبار رخ میدهد.
اما ماده فعال رفتاری کاملاً متفاوت داشت.پژوهشگران دریافتند زنجیرههای فعال میتوانند بهصورت مداوم خم شوند، تغییر وضعیت دهند و نوسان تولید کنند. این حرکت پیوسته باعث شد ساختارها رفتارهایی شبیه خزیدن، راه رفتن یا حتی حفاری در محیط از خود نشان دهند.
دانشمندان اعلام کردند نقطه بحرانی تغییر شکل در این سامانهها به چیزی تبدیل شده که در فیزیک با عنوان «نقطه استثنایی بحرانی» شناخته میشود. این ویژگی باعث میشود ساختار بتواند بهصورت مداوم و بدون توقف حرکت کند.
نتایج این پژوهش در نشریه علمی Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر شد. نویسندگان اصلی این مطالعه «سامی العزی» از دانشگاه نیو ساوت ولز و «یائو دو» از دانشگاه آمستردام بودند. تصویر یکی از زنجیرههای فعال نیز بهعنوان تصویر جلد این نشریه انتخاب شد.
پژوهشگران میگویند این فناوری میتواند به توسعه مواد خودمختار چندمنظوره منجر شود؛ موادی که بدون رایانه مرکزی یا سامانه کنترل پیچیده، قابلیت انجام وظایف مختلف مکانیکی را دارند. چنین قابلیتی برای نسل آینده رباتهای نرم اهمیت زیادی دارد.
بخش دیگری از تحقیقات، یکی از اصول مهم مهندسی موسوم به «اصل لوشاتلیه» را به چالش کشید. این اصل بهطور کلی بیان میکند رفتار اجزای کوچک یک سامانه باید در مقیاس بزرگتر نیز تکرار شود. برای مثال، اگر اجزای کوچکتر یک ساختار سختتر شوند، کل ساختار نیز باید سختتر شود.
اما پژوهشگران دریافتند ماده فعال همیشه از این قانون پیروی نمیکند.آنها با استفاده از شبکهای دوبعدی متشکل از موتورها و میلهها مشاهده کردند افزایش فعالیت اجزای میکروسکوپی در برخی شرایط میتواند کل ساختار را کمتحرکتر کند. این نتیجه برخلاف رفتار مواد سنتی بود.
دانشمندان توضیح دادند رفتار کلی این سامانهها به نحوه گسترش اجزای فعال در سراسر ماده بستگی دارد؛ فرآیندی که در فیزیک «پرکولاسیون» نامیده میشود.
پژوهشگران این پدیده را به عبور آب از میان پودر قهوه تشبیه کردند. اگر ذرات بیش از حد فشرده باشند، آب نمیتواند بهخوبی عبور کند. در ماده فعال نیز تمرکز زیاد اجزای کمفعال میتواند انتقال واکنشهای کشسان را در کل ساختار متوقف کند؛ حتی اگر بخشهای دیگر همچنان فعال باقی بمانند.
مطالعه دوم این پروژه به رهبری «جک بینیش» از گروه تحقیقاتی «کورنتین کولی» در دانشگاه آمستردام انجام شد و برای انتشار در نشریه Physical Review X پذیرفته شده است.
پژوهشگران معتقدند این یافتهها میتواند کاربردهای مهمی در حوزههای مختلف از جمله فیزیک ماده نرم، مهندسی مکانیک، علوم زیستی، شبکههای عصبی الهامگرفته از مغز و رباتیک داشته باشد.
دانشمندان میگویند در آینده ممکن است موادی ساخته شوند که بتوانند بدون پردازنده مرکزی، محیط اطراف را حس کنند، به شرایط واکنش نشان دهند، مسیر حرکت خود را تغییر دهند و وظایف پیچیده را بهصورت خودکار انجام دهند. چنین فناوریهایی میتواند نسل آینده ماشینهای تطبیقپذیر و رباتهای نرم هوشمند را شکل دهد.
