“ Swarmalation ” utilisé pour concevoir des matériaux actifs pour des robots mous autorégulants – Technoguide

Pendant l’essaimage d’oiseaux ou de poissons, chaque entité coordonne son emplacement par rapport aux autres, de sorte que l’essaim se déplace comme une unité plus grande et cohérente. Les lucioles, quant à elles, coordonnent leur comportement temporel: au sein d’un groupe, elles finissent toutes par s’allumer et s’éteindre en même temps et agissent ainsi comme des oscillateurs synchronisés.

Cependant, peu d’entités coordonnent à la fois leurs mouvements spatiaux et leurs horloges temporelles inhérentes; les exemples limités sont appelés “swarmalators” 1, qui pullulent simultanément dans l’espace et oscillent dans le temps. Les grenouilles arboricoles japonaises sont des essaims exemplaires: chaque grenouille change à la fois son emplacement et son taux de coassement par rapport à toutes les autres grenouilles d’un groupe.

De plus, les grenouilles changent de forme lorsqu’elles croassent: le sac à air sous leur bouche se gonfle et se dégonfle pour faire le son. Ce comportement coordonné joue un rôle important pendant l’accouplement et est donc vital pour la survie des grenouilles. Dans le domaine synthétique, il n’y a pratiquement pas de systèmes de matériaux où les unités individuelles synchronisent simultanément leur assemblage spatial, les oscillations temporelles et les changements morphologiques. Ces matériaux hautement auto-organisés sont importants pour créer des robots mous autopropulsés qui se réunissent et modifient leur forme en coopération pour accomplir une fonction régulière et répétée.

Les ingénieurs chimistes de la Swanson School of Engineering de l’Université de Pittsburgh ont maintenant conçu un système de matériaux flexibles auto-oscillants qui présentent un mode distinctif d’auto-organisation dynamique. En plus de présenter le comportement de Swarmalator, les matériaux des composants adaptent mutuellement leurs formes globales lorsqu’ils interagissent dans une chambre remplie de fluide. Ces systèmes peuvent ouvrir la voie à la fabrication de systèmes robotiques souples collaboratifs et autorégulants.

Les recherches du groupe ont été publiées cette semaine dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences. La chercheuse principale est Anna C. Balazs, professeur émérite de génie chimique et pétrolier et titulaire de la chaire d’ingénierie John A. Swanson. L’auteur principal est Raj Kumar Manna et le co-auteur est Oleg E. Shklyaev, tous deux associés postdoctoraux.

“Les matériaux auto-oscillants convertissent un signal non périodique en mouvement périodique du matériau”, a expliqué Balazs. «À l’aide de nos modèles informatiques, nous avons d’abord conçu des feuilles flexibles de l’ordre du micron et du millimètre en solution qui répondent à un apport non périodique de réactifs chimiques en subissant spontanément des changements oscillatoires d’emplacement, de mouvement et de forme. Par exemple, une feuille unique initialement plate se transforme en une forme tridimensionnelle ressemblant à une queue de poisson ondulée, qui oscille simultanément d’avant en arrière à travers la microchambre. “

Les auto-oscillations des feuilles souples sont alimentées par des réactions catalytiques dans une chambre fluidique. Les réactions sur les surfaces de la feuille et de la chambre initient une boucle de rétroaction complexe: l’énergie chimique de la réaction est convertie en écoulement de fluide, qui transporte et déforme les feuilles flexibles. Les feuilles en évolution structurelle affectent à leur tour le mouvement du fluide, qui continue à déformer les feuilles.

“Ce qui est vraiment intriguant, c’est que lorsque nous introduisons une deuxième feuille, nous découvrons de nouvelles formes d’auto-organisation entre des structures vibrantes”, ajoute Manna. En particulier, les deux feuilles forment des oscillateurs couplés qui communiquent à travers le fluide pour coordonner non seulement leur emplacement et leurs pulsations temporelles, mais aussi synchroniser leurs changements de forme mutuels. Ce comportement est analogue à celui des essaimeurs de rainettes arboricoles qui coordonnent leur emplacement spatial relatif et le moment du coassement, ce qui implique également un changement périodique de la forme de la grenouille (avec une gorge gonflée ou dégonflée).

«Un comportement dynamique complexe est une caractéristique essentielle des systèmes biologiques», dit Shklyaev. Les choses ne se rassemblent pas simplement et ne bougent pas. De manière analogue, ces feuilles s’assemblent dans le temps et dans l’espace appropriés pour former un système dynamique composite plus grand. De plus, cette structure est autorégulée et peut remplir des fonctions qu’une seule feuille ne peut pas remplir à elle seule. “

«Pour deux feuilles ou plus, les oscillations temporelles collectives et le comportement spatial peuvent être contrôlés en faisant varier la taille des différentes feuilles ou le motif du revêtement de catalyseur sur la feuille», explique Balazs. Ces variations permettent de contrôler la phase relative des oscillations, par exemple, les oscillateurs peuvent se déplacer en phase ou en anti-phase.

“Ce sont des résultats très excitants car les feuilles 2D se transforment en objets 3D, qui traduisent spontanément un signal non oscillant en” instructions “pour former un agrégat plus grand dont la forme et le mouvement périodique sont régulés par chacune de ses parties mobiles,” elle Remarques. “Nos recherches pourraient éventuellement conduire à des formes de calcul bio-inspiré – tout comme les oscillateurs couplés sont utilisés pour transmettre des informations en électronique – mais avec un comportement auto-entretenu et autorégulé.”

Vidéo: https://www.youtube.com/watch?v=89Y9lVlEaBs

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