Materiais reprogramáveis ​​seletivamente

Aug 06, 2023

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Embora a fabricação automatizada seja onipresente hoje, já foi um campo nascente criado por inventores como Oliver Evans, que é creditado por criar o primeiro processo industrial totalmente automatizado, em um moinho de farinha que ele construiu e gradualmente automatizou no final do século XVIII. Os processos de criação de estruturas ou máquinas automatizadas ainda são muito de cima para baixo, exigindo que humanos, fábricas ou robôs façam a montagem e a fabricação.

No entanto, a maneira como a natureza faz a montagem é onipresente de baixo para cima; animais e plantas são automontados em um nível celular, contando com proteínas para se dobrarem em geometrias-alvo que codificam todas as diferentes funções que nos mantêm funcionando. Para uma abordagem de montagem mais bioinspirada e de baixo para cima, os materiais de arquitetura humana precisam se sair melhor por conta própria. No entanto, torná-los escaláveis, seletivos e reprogramáveis ​​de uma forma que possa imitar a versatilidade da natureza significa alguns problemas iniciais.

Agora, pesquisadores do Laboratório de Ciência da Computação e Inteligência Artificial (CSAIL) do MIT tentaram superar essas dores crescentes com um novo método: a introdução de materiais magneticamente reprogramáveis ​​com os quais eles revestem diferentes partes - como cubos robóticos - para permitir que eles se montem. A chave para seu processo é uma maneira de tornar esses programas magnéticos altamente seletivos sobre o que eles se conectam, permitindo uma automontagem robusta em formas específicas e configurações escolhidas.

O revestimento de material magnético macio que os pesquisadores usaram, proveniente de ímãs de geladeira baratos, confere a cada um dos cubos que eles construíram uma assinatura magnética em cada uma de suas faces. As assinaturas garantem que cada face seja seletivamente atrativa para apenas uma outra face de todos os outros cubos, tanto na translação quanto na rotação. Todos os cubos - que custam cerca de 23 centavos - podem ser programados magneticamente em uma resolução muito fina. Assim que forem jogados em um tanque de água (eles usaram oito cubos para uma demonstração), com uma perturbação totalmente aleatória - você pode até sacudi-los em uma caixa - eles se chocarão. Se eles encontrarem o parceiro errado, eles cairão, mas se encontrarem o parceiro adequado, eles se apegarão.

Uma analogia seria pensar em um conjunto de peças de móveis que você precisa montar em uma cadeira. Tradicionalmente, você precisaria de um conjunto de instruções para montar manualmente as peças em uma cadeira (uma abordagem de cima para baixo), mas usando o método dos pesquisadores, essas mesmas peças, uma vez programadas magneticamente, se automontariam na cadeira usando apenas um perturbação aleatória que os faz colidir. Sem as assinaturas que geram, porém, a cadeira se montaria com as pernas nos lugares errados.

"Este trabalho é um passo à frente em termos de resolução, custo e eficácia com os quais podemos montar estruturas particulares", diz Martin Nisser, aluno de doutorado do Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação (EECS) do MIT, afiliado do CSAIL, e o principal autor de um novo artigo sobre o sistema. "Trabalhos anteriores em auto-montagem normalmente exigiam que peças individuais fossem geometricamente diferentes, assim como peças de quebra-cabeça, o que requer fabricação individual de todas as peças. Usando programas magnéticos, no entanto, podemos fabricar peças homogêneas em massa e programá-las para adquirir produtos específicos estruturas-alvo e, mais importante, reprogramá-las para adquirir novas formas mais tarde, sem ter que refabricar as peças novamente."

Usando a máquina de plotagem magnética da equipe, pode-se colocar um cubo de volta no plotter e reprogramá-lo. Cada vez que o plotter toca o material, ele cria um pixel magnético orientado para "norte" ou "sul" no revestimento magnético macio do cubo, permitindo que os cubos sejam reaproveitados para montar novas formas de alvo quando necessário. Antes de plotar, um algoritmo de pesquisa verifica cada assinatura quanto à compatibilidade mútua com todas as assinaturas programadas anteriormente para garantir que sejam seletivas o suficiente para uma automontagem bem-sucedida.