Diese Innovation ebnet den Weg für potenzielle Anwendungen in verschiedenen Bereichen, von der Robotik bis zur Physik aktiver Materie. Indem sie die Mechanismen von Flüssigkeit und Festigkeit, die in Embryonen beobachtet werden, nachahmten, gelang es den Forschern, ein robotisches System zu entwickeln, das sich selbst organisieren und dynamisch anpassen kann.
Biologische Inspiration: Von Embryonen zu Robotern
Die Forscher ließen sich von embryonalen Geweben inspirieren, die als natürliche intelligente Materialien gelten. Diese Gewebe können von einem flüssigen in einen festen Zustand übergehen, wodurch sich Zellen neu anordnen können, um Strukturen zu bilden.
Dieses Phänomen, bekannt als Rigiditätsübergang, ist entscheidend für die Entwicklung von Organen. Die Wissenschaftler identifizierten drei Schlüsselprozesse: aktive Kräfte zwischen Zellen, biochemische Signalgebung und Zelladhäsion. Diese Mechanismen wurden in die Welt der Roboter übertragen, um ein Kollektiv zu schaffen, das sich ähnlich verhalten kann.
Jeder Roboter, der die Form eines Hockey-Pucks hat, ist mit acht motorisierten Zahnrädern und rotierenden Magneten ausgestattet. Diese Elemente ermöglichen es den Einheiten, sich relativ zueinander zu bewegen, während sie eine feste Kohäsion beibehalten. Sensoren für polarisiertes Licht leiten ihre Bewegungen und ahmen so die Koordination nach, die in embryonalen Zellen beobachtet wird.
Ein robotisches Kollektiv mit einstellbaren Eigenschaften
Das Roboter-Kollektiv kann durch Modulation der Kräfte zwischen den Einheiten von einem starren in einen flüssigen Zustand übergehen. Diese Flexibilität wird durch kontrollierte Schwankungen in den an die Roboter gesendeten Signalen ermöglicht, was eine schnelle und effiziente Neuorganisation erlaubt.
Die Forscher entdeckten außerdem, dass diese Schwankungen den Energieverbrauch reduzieren, ein großer Vorteil für praktische Anwendungen. Durch die Anpassung der Parameter des polarisierten Lichts können sie das Kollektiv anweisen, spezifische Strukturen zu bilden, ohne eine individuelle Neuprogrammierung.
Langfristig könnte diese Technologie miniaturisiert und auf Tausende von Einheiten ausgeweitet werden, was den Weg für robotische Materialien ebnet, die sich an verschiedene Umgebungen anpassen können. Diese Systeme könnten verwendet werden, um Objekte zu manipulieren, schwere Lasten zu tragen oder sich sogar selbst zu reparieren.
Weiterführend: Was ist ein Rigiditätsübergang?
Der Rigiditätsübergang ist ein physikalisches Phänomen, bei dem ein Material unter dem Einfluss interner oder externer Kräfte von einem festen in einen flüssigen Zustand übergeht oder umgekehrt. Dieses Konzept ist entscheidend, um zu verstehen, wie bestimmte Systeme, wie embryonale Gewebe oder granulare Materialien, zwischen Steifheit und Flüssigkeit wechseln können.
In lebenden Geweben ermöglicht dieser Übergang den Zellen, sich räumlich neu anzuordnen. Beispielsweise können Zellen während der Embryonalentwicklung vorübergehend "schmelzen", um sich zu bewegen und komplexe Strukturen wie Organe zu bilden, bevor sie sich wieder verfestigen. Dieser Prozess wird durch aktive Kräfte ermöglicht, die von den Zellen selbst erzeugt werden.
In der Physik wird dieses Phänomen oft in Systemen wie Gläsern oder granularen Medien untersucht. Diese Materialien können sich unter bestimmten Bedingungen wie Festkörper verhalten, aber flüssig werden, wenn sie spezifischen Belastungen wie Vibrationen oder Scherkräften ausgesetzt sind.
Im Kontext der Roboter wurde der Rigiditätsübergang durch die Modulation der Kräfte zwischen den Einheiten nachgebildet. Dies ermöglicht es dem Roboter-Kollektiv, von einem starren Zustand, der Lasten tragen kann, in einen flüssigen Zustand überzugehen, der eine schnelle und flexible Neuorganisation ermöglicht. Diese Fähigkeit, mechanische Eigenschaften dynamisch anzupassen, eröffnet vielversprechende Perspektiven für Anwendungen in der Robotik und Materialwissenschaft.