Shifty Science: Programmierbare Materie Nimmt Mit Selbstfaltenden Origami-Blättern Gestalt An
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Anonim

Ein Prototypblatt, das sich in zwei verschiedene Formen faltet, kann zu Objekten führen, die auf Befehl eine beliebige Anzahl von Formen annehmen können.

Forscher der Harvard University und des Massachusetts Institute of Technology (M.I.T.) haben einen realen Transformator erfunden, ein Gerät, das sich auf Befehl in zwei Formen falten kann. Das System ist kaum bereit, mit den Decepticons zu kämpfen - die winzigen Geräte bilden nur relativ grobe Boots- und Flugzeugformen -, aber das Konzept könnte eines Tages chamäleonartige Objekte hervorbringen, die nach Belieben zwischen einer beliebigen Anzahl praktischer Formen wechseln.

Selbstfaltende Blätter sind nur eine Facette programmierbarer Materie, der Versuch, Strukturen aufzubauen, die sich bei Bedarf verändern können. Die Idee, sagt die Co-Autorin der Studie, Daniela Rus, eine Robotikerin bei M.I.T., bringt Materialien und Maschinen näher zusammen, um Alltagsgegenstände zu erstellen, die programmiert werden können, ähnlich wie Menschen einen Computer programmieren. "Anstatt Bits und Bytes zu programmieren", sagt sie, "programmieren Sie die mechanischen Eigenschaften des Objekts."

Das System, das in einem Artikel beschrieben wird, der diese Woche online in Proceedings der National Academy of Sciences veröffentlicht wurde, besteht aus einer dünnen Schicht aus Harz-Glasfaser-Verbundwerkstoff mit einem Durchmesser von nur wenigen Zentimetern, die in 32 dreieckige Platten unterteilt ist, die durch flexible Silikonverbindungen voneinander getrennt sind. Einige der Gelenke haben wärmeempfindliche Aktuatoren, die sich bei Erwärmung durch elektrischen Strom um 180 Grad biegen und das Blech an diesem Gelenk umklappen. Abhängig vom verwendeten Programm führt das Blatt eine Reihe von Falten durch, um die Boots- oder Flugzeugform in etwa 15 Sekunden zu erhalten. Der Folding-Sheet-Ansatz ist eine Erweiterung des Bereichs des rechnerischen Origamis, der mathematischen Untersuchung, wie flache Objekte zu komplexen dreidimensionalen Strukturen gefaltet werden können.

Obwohl das in der neuen Arbeit vorgestellte Design nur zwei Formen annimmt, sagen die Forscher, dass das System im Prinzip viel mehr produzieren könnte. "Wir suchten nach Möglichkeiten, eine Reihe verschiedener Funktionen in ein unauffälliges Blatt einzubetten", sagt der Co-Autor der Studie, Robert Wood, Elektroingenieur am Microrobotics Laboratory der Harvard University. "Langfristig möchten wir Systeme entwickeln, um dies nicht nur auf drei, vier oder fünf Formen zu bringen, sondern auf einen viel größeren Bereich verschiedener erreichbarer Formen."

Bei einem Satz gewünschter dreidimensionaler Formen bestimmen die Algorithmen der Gruppe, wie das Blatt gefaltet wird, um jede der endgültigen Formen zu erzeugen, und wie diese verschiedenen Faltsequenzen auf einem gemeinsam genutzten Blatt untergebracht werden. Ein anderer Algorithmus optimiert das Blatt für den gewünschten Zweck und begrenzt die Anzahl der eingebetteten Aktuatoren, die zur Herstellung der endgültigen Formen benötigt werden. Auf dem Flugzeug-Boot-Prototypblatt hat beispielsweise nur die Hälfte der Gelenke Aktuatoren.

Die Forscher stellen fest, dass die Algorithmen zwar ein funktionsfähiges Faltmuster erzeugen, um eine bestimmte Form zu erhalten, menschliche Experten jedoch häufig in der Lage sind, ein effizienteres Schema zu entwerfen. "Es weiß nicht, wie man kreativ wird, und manchmal sehen menschliche Origamisten ein paar Schritte voraus, wie ein Schachspieler", sagt Rus. "Sie sehen Muster, die für ein Computerprogramm, das einen schrittweisen Prozess ausführt, nicht offensichtlich sind."

Kurzfristig stellt sich Rus die rechnergestützte Origami-Technologie vor, die die Grundlage für dreidimensionale Anzeigesysteme bildet - beispielsweise Karten, die bei Bedarf die Topographie einer bestimmten Region reproduzieren können. "Sie können sich vorstellen, Maschinen herzustellen, mit denen Sie dreidimensionale Ansichten der von ihnen gerenderten Objekte erhalten", sagt sie. In ferner Zukunft könnten Anwendungen programmierbarer Materie über die reine Formnachahmung hinausgehen und programmierbare optische, elektrische oder akustische Eigenschaften beinhalten.

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