Однако немногие сущности координируют как свои пространственные движения, так и внутренние часы времени; ограниченные примеры называются «свормаляторы» 1, которые одновременно роятся в пространстве и колеблются во времени. Японские древесные лягушки являются образцами рояляторов: каждая лягушка меняет свое местоположение и скорость кваканья относительно всех остальных лягушек в группе.
Более того, лягушки меняют форму, когда квакают: воздушный мешок под их ртом надувается и сдувается, издавая звук.
Это скоординированное поведение играет важную роль во время спаривания и, следовательно, жизненно важно для выживания лягушек. В синтетической сфере почти нет систем материалов, где отдельные единицы одновременно синхронизируют свою пространственную сборку, временные колебания и морфологические изменения. Такие высоко самоорганизующиеся материалы важны для создания самоходных мягких роботов, которые собираются вместе и совместно изменяют свою форму для выполнения регулярных повторяющихся функций.
Инженеры-химики из инженерной школы Университета Питтсбурга Суонсон разработали систему автоколебательных гибких материалов, которые демонстрируют характерный режим динамической самоорганизации.
В дополнение к проявлению поведения свормаляторов, материалы компонентов взаимно адаптируют свои общие формы при взаимодействии в заполненной жидкостью камере. Эти системы могут проложить путь к созданию совместных, саморегулирующихся мягких роботизированных систем.
Исследование группы было опубликовано на этой неделе в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Главный следователь – Анна С. Балаш, заслуженный профессор химической и нефтяной инженерии и Джон А. Swanson Кафедра инженерии. Ведущий автор – Радж Кумар Манна, соавтор – Олег Э. Шкляев, оба аспиранта.
«Автоколебательные материалы преобразуют непериодический сигнал в периодическое движение материала», – пояснил Балаш. «Используя наши компьютерные модели, мы сначала разработали гибкие листы микронных и миллиметровых размеров в растворе, которые реагируют на непериодический ввод химических реагентов, спонтанно претерпевая колебательные изменения в положении, движении и форме. Например, изначально плоский одиночный лист трансформируется в трехмерную форму, напоминающую волнистый рыбий хвост, который одновременно колеблется взад и вперед по микрокамере."
Автоколебания гибких листов вызваны каталитическими реакциями в жидкостной камере. Реакции на поверхности листа и камеры инициируют сложную петлю обратной связи: химическая энергия реакции преобразуется в поток жидкости, который перемещает и деформирует гибкие листы.
Структурно развивающиеся листы, в свою очередь, влияют на движение жидкости, которая продолжает деформировать листы.
«Что действительно интригует, так это то, что, когда мы вводим второй лист, мы открываем новые формы самоорганизации между вибрирующими структурами», – добавляет Манна.
В частности, два листа образуют связанные осцилляторы, которые взаимодействуют через жидкость, чтобы координировать не только свое местоположение и временные пульсации, но и синхронизировать их взаимные изменения формы. Это поведение аналогично поведению роя лягушек, которые координируют свое относительное пространственное положение и время кваканья, которое также включает периодическое изменение формы лягушки (с надутым или спущенным горлом).
«Сложное динамическое поведение – важнейшая особенность биологических систем», – говорит Шкляев.
Вещи не просто собираются вместе и перестают двигаться. Точно так же эти листы собираются в нужное время и в пространстве, чтобы сформировать более крупную сложную динамическую систему. Более того, эта структура является саморегулирующейся и может выполнять функции, которые не может выполнять один лист."
«Для двух или более листов коллективными временными колебаниями и пространственным поведением можно управлять, изменяя размер разных листов или рисунок каталитического покрытия на листе», – говорит Балаш.
Эти изменения позволяют контролировать относительную фазу колебаний, e.грамм., генераторы могут двигаться синфазно или противофазно.
Она Примечания. «Наши исследования могут в конечном итоге привести к формам вычислений, вдохновленных биологией – так же, как связанные генераторы используются для передачи информации в электронике, – но с самоподдерживающимся, саморегулирующимся поведением."
Видео: https: // www.YouTube.com / watch?v = 89Y9LVLEABs