Επιστήμονες δημιούργησαν ένα «μαγνητικό φανάρι» που κινείται σαν να έχει ζωή

Μια πρωτοποριακή ανακάλυψη από το North Carolina State University υπόσχεται να αλλάξει τον τρόπο που αντιλαμβανόμαστε τα υλικά και τη ρομποτική. Ερευνητές του πανεπιστημίου σχεδίασαν μια ευέλικτη πολυμερική δομή σε σχήμα παραδοσιακού κινέζικου φαναριού, η οποία μπορεί να αλλάζει μορφή σε πραγματικό χρόνο, σχεδόν σαν να είναι ζωντανή. Το λεγόμενο magnetic lantern μεταμορφώνεται σε περισσότερα από δώδεκα διαφορετικά τρισδιάστατα σχήματα — από φανάρι μέχρι σβούρα — ανταποκρινόμενο σε πίεση, στρέψη ή ακόμη και σε μαγνητικά πεδία που το κινούν από απόσταση.

Η ερευνητική ομάδα, με επικεφαλής τον καθηγητή Jie Yin από το Τμήμα Μηχανολογίας και Αεροδιαστημικής Μηχανικής, ξεκίνησε δημιουργώντας ένα λεπτό πολυμερές φύλλο σε σχήμα ρόμβου. Το φύλλο κόπηκε με ακρίβεια ώστε να σχηματίζει μια σειρά από παράλληλες κορδέλες συνδεδεμένες μεταξύ τους στο πάνω και κάτω μέρος. Όταν οι δύο άκρες του ενωθούν, το φύλλο παίρνει φυσικά μια σφαιρική μορφή που θυμίζει κινέζικο φανάρι.

«Η συγκεκριμένη δομή είναι από μόνη της δι-σταθερή», εξηγεί ο Jie Yin. «Διαθέτει δηλαδή δύο σταθερές καταστάσεις. Στην πρώτη είναι το κλασικό σχήμα φαναριού. Όταν όμως ασκηθεί πίεση από πάνω, παραμορφώνεται μέχρι να φτάσει σε ένα κρίσιμο σημείο, όπου “σπάει” και μετατρέπεται απότομα σε ένα δεύτερο σταθερό σχήμα που θυμίζει σβούρα». Η ενέργεια που αποθηκεύεται κατά τη συμπίεση απελευθερώνεται στιγμιαία όταν το φανάρι επιστρέφει στο αρχικό του σχήμα, επιτρέποντάς του να κινείται με θεαματικό τρόπο.

Η ομάδα παρατήρησε ότι με μικρές παραλλαγές, όπως περιστροφή ή δίπλωμα των άκρων, μπορούν να δημιουργηθούν πολλά ακόμα σχήματα. «Καταφέραμε να φτιάξουμε δομές που έχουν δύο, τρεις ή και τέσσερις σταθερές μορφές, ανάλογα με το πώς ασκείται η δύναμη», σημειώνει ο Yaoye Hong, πρώτος συγγραφέας της μελέτης και σήμερα μεταδιδακτορικός ερευνητής στο University of Pennsylvania. «Μερικές παραλλαγές μπορούν να εναλλάσσονται μεταξύ διαφορετικών σχημάτων, κάτι που τις καθιστά ιδανικές για εφαρμογές όπου χρειάζεται ευελιξία και προγραμματιζόμενη κίνηση».

Το επόμενο βήμα ήταν να αποκτήσει η δομή “ζωή” μέσω μαγνητισμού. Οι ερευνητές προσάρμοσαν ένα λεπτό μαγνητικό φιλμ στο κάτω μέρος του φαναριού, επιτρέποντας τον πλήρη έλεγχο της μορφής του εξ αποστάσεως μέσω μαγνητικών πεδίων. Έτσι, το magnetic lantern μπορεί να στρίβει, να συμπιέζεται ή να απλώνεται χωρίς άμεση επαφή, σαν να αντιδρά σε αόρατες δυνάμεις.

Οι δοκιμές απέδειξαν ότι η ευφυής αυτή κατασκευή μπορεί να έχει δεκάδες πρακτικές εφαρμογές. Χρησιμοποιήθηκε ως ευαίσθητη μαγνητική “λαβίδα” για να πιάσει και να απελευθερώσει ψάρια χωρίς να τα τραυματίσει, ως φίλτρο ροής που ανοίγει και κλείνει κάτω από το νερό, αλλά και ως μηχανισμός που επεκτείνεται απότομα για να ξεμπλοκάρει σωλήνες ή να απελευθερώσει ροή υγρών. Οι δυνατότητές του θυμίζουν μηχανικά “κύτταρα” που αντιδρούν δυναμικά στο περιβάλλον τους.

Για να κατανοήσουν καλύτερα τη συμπεριφορά αυτών των μεταμορφώσιμων φαναριών, οι ερευνητές ανέπτυξαν ένα μαθηματικό μοντέλο που προβλέπει πώς η γωνία, το μήκος και το πάχος κάθε τμήματος επηρεάζει το τελικό σχήμα και την ποσότητα της αποθηκευμένης ενέργειας.

Το μοντέλο αυτό μας επιτρέπει να προγραμματίζουμε εκ των προτέρων το σχήμα που θέλουμε να αποκτήσει το φανάρι, πόσο σταθερό θα είναι και πόση ενέργεια θα απελευθερώνει όταν επιστρέφει στην αρχική του μορφή. Αυτό είναι κρίσιμο για εφαρμογές στη ρομποτική, στα μεταμορφώσιμα υλικά και στη μικρομηχανική.

Η επόμενη φάση της έρευνας θα επικεντρωθεί στην ομαδική συναρμολόγηση αυτών των φαναριών σε μεγαλύτερες δομές δύο και τριών διαστάσεων, οι οποίες θα μπορούσαν να αποτελέσουν τη βάση για νέες γενιές “έξυπνων” μηχανικών μεταϋλικών και ρομπότ που αλλάζουν σχήμα ανάλογα με το περιβάλλον.

[via]