קסם מטא-חומרי: מדענים מפתחים חומר חדש שיכול לכוון באופן דינמי את צורתו ואת תכונותיו המכניות בזמן אמת

בהשראת יכולת ההסתגלות יוצאת הדופן הנראית בישויות ביולוגיות כמו התמנון, נעשתה התקדמות משמעותית בתחום הרובוטיקה הרכה. בהדרכתו של פרופסור Jiyun Kim מהמחלקה למדע והנדסת חומרים ב-UNIST, צוות מחקר פיתח בהצלחה חומר רב תכליתי הניתן לקידוד שיכול לכוונן באופן דינמי את צורתו ותכונותיו המכניות בזמן אמת.

מטא-חומר פורץ דרך זה עולה על המגבלות של חומרים קיימים, ופותח אפשרויות חדשות ליישומים ברובוטיקה ותחומים אחרים הדורשים הסתגלות.

המכונות הרכות הנוכחיות חסרות את רמת הסתגלות שהפגינו מקבילותיהן הביולוגיות, בעיקר בשל יכולת כוונון מוגבלת בזמן אמת ומרחב מוגבל שניתן לתכנות מחדש של מאפיינים ופונקציות. על מנת לגשר על פער זה, צוות המחקר הציג גישה חדשה תוך שימוש בדפוסי קשיחות גראפיים. על ידי החלפה עצמאית של מצבי הקשיחות הבינארית הדיגיטלית (רכה או קשיחה) של יחידות מרכיבות בודדות בתוך מבנה אוקסטי פשוט הכולל חללים אליפטיים, החומר משיג כוונון במקום והדרגתי על פני איכויות מכניות שונות.

מושג ומנגנון של PPMM לתכנות באתר של התנהגויות מכניות. קרדיט: UNIST

החומר הניתן לתכנות דיגיטלית מציג יכולות מכניות יוצאות דופן, כולל שינוי צורה וזיכרון, תגובת מתח-מתח ויחס של Poisson תחת עומס דחיסה. יתר על כן, הוא מדגים פונקציונליות מוכוונות יישום כגון ספיגת אנרגיה ניתנת להתאמה ושימוש חוזר ואספקת לחץ. חומר פורץ דרך זה משמש כאבן דרך לפיתוח רובוטים רכים מסתגלים לחלוטין ומכונות אינטראקטיביות חכמות.

חומר ויישומים פורצי דרך

"פיתחנו מטא-חומר שיכול ליישם את המאפיינים הרצויים תוך דקות, ללא צורך בחומרה נוספת", קבע ג'ון קיו צ'ו (תוכנית MS/Ph.D. משולבת למדע והנדסת חומרים, UNIST), המחבר הראשון של המחקר. . "זה פותח אפשרויות חדשות לחומרים אדפטיביים מתקדמים ולפיתוח עתידי של רובוטים אדפטיביים."

צוות המחקר הציג את הפוטנציאל של החומר על ידי הדגמה של "חומר סופג אנרגיית זעזועים אדפטיבי", שמתאים את תכונותיו בתגובה להשפעות בלתי צפויות. על ידי מזעור הכוח המועבר לאובייקט המוגן, חומר זה מפחית באופן משמעותי את הסיכון לנזק או לפציעה. בנוסף, הצוות השתמש במטא-חומר כ"חומר להעברת כוח", המסוגל לספק כוחות במקומות ובזמנים רצויים. על ידי הזנת פקודות דיגיטליות ספציפיות, החומר מפעיל באופן סלקטיבי מתגי LED סמוכים, ומאפשר שליטה מדויקת על מסלולי העברת הכוח.

יכולות שינוי צורה וזיכרון צורה. קרדיט: UNIST

פרופסור קים הדגיש את התאימות של מטא-חומר זה לטכנולוגיות בינה מלאכותית, כגון למידה עמוקה, כמו גם טכנולוגיות ומכשירים דיגיטליים קיימים. "מטא-חומר זה, המסוגל להמיר מידע דיגיטלי למידע פיזי בזמן אמת, יסלול את הדרך לחומרים חדשים חדשניים שיכולים ללמוד ולהתאים את עצמם לסביבתם", הוסיף פרופסור קים.

המחקר, שפורסם בגיליון ינואר 2024 של חומרים מתקדמים, נבחר ככריכה אחורית. הפרויקט קיבל תמיכה מקרן המחקר הלאומית של קוריאה (NRF), משרד המדע והתקשוב (MSIT), והמכון הקוריאה לחומרים (KIMS).