"کریستال زمان" رباتیک علیرغم اختلالات تصادفی خود را در یک ریتم واحد سازمان می دهد

ویرایش شده توسط گابی کلارک، بررسی توسط رابرت ایگان

این مقاله با توجه به روند و سیاست های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

دانشمندان ماده‌ای ابداع کرده‌اند که می‌تواند رشد کند و حرکت خود را هماهنگ کند تا زمانی که کل ساختار به طور همزمان ضربان داشته باشد و راه را برای روبات‌های همه‌کاره‌ای هموار کند که بیشتر شبیه سیستم‌های زنده رفتار می‌کنند.

با انتشار یافته های خود امروز (14 اکتبر) در نیچر، مهندسان دانشگاه بیرمنگام که با دانشگاه های آمستردام، لیون، دلفت، لیدن و کمبریج کار می کنند، نشان می دهند که یک فراماده مکاترونیک ایجاد کرده اند که به عنوان یک "کریستال زمان" رفتار می کند. کریستال های زمان شکل غیرمعمولی از ماده هستند که در آن ذرات به طور بی پایان در چرخه های منظم و تکرار شونده حرکت می کنند. اما در اینجا، "ذرات" اتم های مولکول نبودند: آنها روبات بودند.

مواد آزمایشی دانشمندان ساختارهای الاستیک، حسگرها، الکترونیک و محرک‌ها را ترکیب می‌کند تا اجزای همسایه بتوانند بر یکدیگر تأثیر بگذارند. عنصر کلیدی برای ایجاد حالت کریستالی زمان این بود که تعاملات بین اجزا را "غیر متقابل" کرد، به این معنی که پاسخ یک جزء به دیگری لازم نیست به صورت معکوس منعکس شود.

هنگامی که رابطه متقابل در ماده شکسته شد، ارتعاشات فردی در ابتدا در طول موج های کوتاه ظاهر شدند، اما سپس به تدریج در طول موج، دوره و دامنه افزایش یافت - که منجر به یک حالت هماهنگ جهانی شد که محققان نشان دادند یک کریستال زمان است. این تیم فرآیندی را که کشف کرده اند به عنوان "درشت شدن موج" توصیف می کند.

دکتر جک بینیش، نویسنده همکار، از دانشگاه بیرمنگام، کار بر روی این پروژه را در دانشگاه آمستردام آغاز کرد. او گفت: "تحقیق ما نمونه ای زیبا از آنچه رباتیک می تواند در مورد فیزیک به ما بیاموزد و بالعکس است. همچنین ویترینی برای ترکیب مفاهیم بنیادی فیزیکی در مورد حالت های مختلف ماده با تخصص فنی برجسته در ساخت مکاترونیک است."

"تحقیق ما نمونه بارز سازماندهی خود به خودی را ارائه می دهد - ارتعاشات کوچکی که خود را سازماندهی می کنند تا زمانی که یک ماده کامل به روشی هماهنگ حرکت کند. مانند نوازندگانی که به تدریج ضربات یکسانی را پیدا می کنند، بخش های جداگانه یک ماده فعال می توانند حرکات خود را سازماندهی کنند تا زمانی که کل ساختار با هم حرکت کند."

درشت شدن امواج می‌تواند به عنوان راهی برای کنترل تغییرات شکل و حرکت جهت‌دار مورد استفاده قرار گیرد که در رباتیک، ماده فعال و مکانیک اپتومکانیک مفید است.

محققان ابتدا یک ماده لانه زنبوری دوبعدی ساخته شده از 37 واحد فعال ساختند. هنگامی که از آستانه پایداری فراتر رفتند، واحدهای منفرد در حدود 30 هرتز شروع به نوسان خود کردند. بتدریج امواج طولانی تری تسلط یافتند تا اینکه کل مواد به طور جمعی نوسان کردند.

آنها سپس یک حلقه الاستیک حاوی 24 واحد موتوری ساختند. در ابتدا، الگوهای تغییر شکل با فرکانس بالاتر در اطراف حلقه ظاهر شد. اینها به تدریج در الگوهای بزرگتر ترکیب شدند تا اینکه حلقه در یک چرخه جمعی آهسته قرار گرفت.

به طور مهمی، آزمایش‌ها و همچنین مدل نشان می‌دهند که اختلالات تصادفی نظم جمعی را از بین نمی‌برند، زیرا اندازه مواد افزایش می‌یابد - الگوی تکراری بسیار پایدار است.

نویسنده همکار، یوناس وینسترا، دکترا بود. دانشجوی آمستردام در زمان شروع تحقیق و اکنون دانشجوی فوق دکترا در ENS لیون است. او گفت: "با در نظر گرفتن کاربردها، ما همچنین به فکر ساختن یک ماده از چندین الگوی حرکت متمایز و پایدار افتاده‌ایم. آیا می‌توانیم بین این الگوها جابجا شده و از هر یک برای عملکرد رباتیک متفاوتی مانند تغییر شکل یا جهت حرکت متفاوت استفاده کنیم؟

به جای طراحی یک ساختار مجزا برای هر کار، سپس می‌توانیم از حالت‌های مختلف یک ماده واحد برای دستیابی به رفتارهای مختلف استفاده کنیم که منجر به ربات‌های بسیار ساده اما بسیار چندمنظوره می‌شود. هدف ما شکلی از رباتیک الهام‌گرفته از زیست‌شناسی است که در آن رفتار هماهنگ از تعاملات با دقت طراحی‌شده بین بلوک‌های ساختمانی به جای دستورالعمل‌های یک کنترل‌کننده مرکزی پدیدار می‌شود.»

این تحقیق در گروه آمستردام به رهبری دکتر کورنتین کولایس آغاز شد و فرامواد تجربی بیش از 100 حسگر و محرک را در کنار اجزای چاپ سه بعدی و محرک‌های سفارشی لورنتس که انرژی الکتریکی را به حرکت مکانیکی تبدیل می‌کنند، ترکیب کردند.

کولایس گفت: "همانند خود مواد، تیم تحقیقاتی که آنها را تولید کرد شامل بسیاری از قطعات متحرک و متقابل بود. کمک زیادی از مرکز فناوری دانشگاه در آمستردام صورت گرفت. ما کارآموزانی داشتیم که متام مواد را با بیش از 100 حسگر و محرک تعبیه شده مونتاژ می کردند، جایی که هر محرک به بیش از 20 نقطه چسب نیاز داشت و در آنجا به قطعات چسب چاپی نیاز داشت. محرک سفارشی لورنتس که انرژی الکتریکی را به حرکت مکانیکی تبدیل می کند."

هدف محققان توسعه مواد فعال سه بعدی است که می تواند راه های بیشتری را برای تعامل اجزا از جمله برش، خمش و پیچش ارائه دهد. آنها امیدوارند درک کنند که درشت شدن موج در سه بعد چگونه رفتار می کند و چگونه می توان از آن برای کنترل تغییرات در شکل مواد خود نگهدارنده استفاده کرد.

کورنتین کولایس، درشت شدن موج، تبلور زمان را در فرامواد مکاترونیک، Nature (2026) هدایت می کند. DOI: 10.1038/s41586-026-11163-6. www.nature.com/articles/s41586-026-11163-6

کارشناسی ارشد زبان انگلیسی، ویرایشگر کپی از سال 2021 با تجربه در آموزش عالی و محتوای بهداشتی. تقدیم به اخبار معتبر علمی. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →