Ακόμη και χωρίς εγκέφαλο ή νευρικό σύστημα, το Venus flytrap (σαρκοφάγο φυτό), φαίνεται να παίρνει περίπλοκες αποφάσεις σχετικά με το πότε να κλείσει το στόμα του για να πιάσει ένα πιθανό θήραμα, καθώς και πότε να το ανοίξει όταν έχει πιάσει κάτι που δεν μπορεί να φάει.
Οι ερευνητές του School of Engineering and Applied Science του Πανεπιστημίου της Πενσυλβάνια, έχουν εμπνευστεί από αυτά τα είδη φυτών. Με τη χρήση υλικών που ανταποκρίνονται στα ερεθίσματα, έχουν σχεδιάσει δομές που έχουν “ενσωματωμένη λογική”. Μέσω του φυσικού και χημικού τους σχεδιασμού και μόνο, είναι σε θέση να καθορίσουν ποιες από τις πολλαπλές πιθανές αντιδράσεις πρέπει να γίνουν ως απάντηση στο περιβάλλον τους.
Παρά το γεγονός ότι δεν διαθέτουν μοτέρ, μπαταρίες, κυκλώματα ή επεξεργαστές οποιουδήποτε είδους, μπορούν να εναλλάσσονται μεταξύ πολλαπλών διαμορφώσεων σε απόκριση προκαθορισμένων περιβαλλοντικών στοιχείων, όπως η υγρασία ή τα χημικά με βάση το πετρέλαιο.
Με τη χρήση πολυμηχανικών τρισδιάστατων εκτυπωτών, οι ερευνητές μπορούν να δημιουργήσουν αυτές τις ενεργές δομές, με ενσωματωμένες θύρες λογικής / ανίχνευσης και να ελέγξουν το χρονοδιάγραμμα κάθε θύρας, επιτρέποντας πολύπλοκες μηχανικές συμπεριφορές ανταποκρινόμενες σε απλές αλλαγές στο περιβάλλον τους. Για παράδειγμα, χρησιμοποιώντας αυτές τις αρχές, μια συσκευή παρακολούθησης της υδρόβιας ρύπανσης θα μπορούσε να σχεδιαστεί για να ανοίγει και να συλλέγει ένα δείγμα μόνο παρουσία ενός χημικού με βάση το πετρέλαιο ή όταν η θερμοκρασία είναι πάνω από ένα συγκεκριμένο όριο.
Οι ερευνητές δημοσίευσαν μια μελέτη, που περιγράφει την προσέγγισή τους στο περιοδικό Nature Communications.
Η μελέτη διεξήχθη από τον Jordan Raney, βοηθό καθηγητή στο Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών και Εφαρμοσμένης Μηχανικής του Penn Engineering και από τον μεταπτυχιακό ερευνητή Yijie Jiang στο εργαστήριό του. Η Lucia Korpas, πτυχιούχος φοιτήτρια στο εργαστήριο του Raney, συνέβαλε επίσης στη μελέτη.
Το εργαστήριο του Raney ενδιαφέρεται για δομές που είναι δισταθείς, που σημαίνει ότι μπορούν να κρατήσουν μία από τις δύο συνθέσεις επ ‘αόριστον. Επίσης, ενδιαφέρεται για «έξυπνα» υλικά, τα οποία μπορούν να αλλάξουν το σχήμα τους υπό τις σωστές συνθήκες.
Αυτές οι ικανότητες δεν συνδέονται εγγενώς μεταξύ τους, αλλά η “ενσωματωμένη λογική” χρησιμοποιεί και τις δύο.
“Το πόσο δισταθής είναι μία δομή, καθορίζεται από τη γεωμετρία, ενώ η ανταπόκριση προέρχεται από τις χημικές ιδιότητες του υλικού”, λέει ο Raney. “Η προσέγγισή μας χρησιμοποιεί πολυ-υλική εκτύπωση 3D για να γεφυρώσει αυτά τα ξεχωριστά πεδία, έτσι ώστε να μπορέσουμε να αξιοποιήσουμε την ανταπόκριση των υλικών για να αλλάξουμε τις γεωμετρικές παραμέτρους των δομών μας με τους σωστούς τρόπους”.
Σε προηγούμενες εργασίες, ο Raney και οι συνάδελφοί τους είχαν δείξει πώς μπορούν να εκτυπωθούν 3D δισδιάστατα πλέγματα από δοκούς σιλικόνης σε γωνία. Όταν πιέζονται μαζί, οι δοκοί παραμένουν κλειδωμένοι σε διαμόρφωση με αγκύλη, αλλά μπορούν εύκολα επανέλθουν στην προηγούμενη μορφή τους.
«Αυτή η δισταθής συμπεριφορά εξαρτάται σχεδόν εξ ολοκλήρου από τη γωνία των δοκών και την αναλογία μεταξύ του πλάτους και του μήκους τους», λέει ο Raney.
Τα υλικά που αλλάζουν σχήμα είναι κοινά, αλλά ο έλεγχος του μετασχηματισμού τους είναι πιο δύσκολος.
«Πολλά υλικά απορροφούν νερό και επεκτείνονται για παράδειγμα, αλλά επεκτείνονται προς όλες τις κατευθύνσεις. Αυτό δεν μας βοηθάει, επειδή σημαίνει ότι ο λόγος μεταξύ του πλάτους και του μήκους των ακτίνων παραμένει ο ίδιος», λέει ο Raney. «Χρειαζόμασταν έναν τρόπο να περιορίσουμε την επέκταση σε μία μόνο κατεύθυνση».
Η λύση των ερευνητών ήταν να εγχύσουν στις 3D τυπωμένες δομές τους γυάλινες ή κυτταρινικές ίνες, που τρέχουν παράλληλα με το μήκος των δοκών. Όπως και με τις ίνες άνθρακα, αυτός ο ανελαστικός σκελετός εμποδίζει την επιμήκυνση των δοκών, αλλά επιτρέπει την επέκταση του χώρου μεταξύ των ινών, αυξάνοντας το πλάτος των δοκών.
Με αυτόν τον γεωμετρικό έλεγχο, μπορούν να επιτευχθούν πιο εξελιγμένες αλλαγές σχήματος, μεταβάλλοντας το υλικό από το οποίο κατασκευάζονται οι δοκοί. Οι ερευνητές έκαναν ενεργές δομές χρησιμοποιώντας σιλικόνη, η οποία απορροφά το πετρέλαιο και υδρογέλες οι οποίες απορροφούν νερό. Τα ευαίσθητα στη θερμότητα και στο φως υλικά θα μπορούσαν επίσης να ενσωματωθούν και να σχεδιαστούν υλικά που ανταποκρίνονται σε ακόμα πιο συγκεκριμένα ερεθίσματα.
Η αλλαγή της αρχικής αναλογίας μήκους / πλάτους των δοκών, καθώς και η συγκέντρωση των άκαμπτων εσωτερικών ινών, επιτρέπει στους ερευνητές να παράγουν ενεργοποιητές με διαφορετικά επίπεδα ευαισθησίας. Και επειδή η τεχνική εκτύπωσης 3D των ερευνητών επιτρέπει τη χρήση διαφορετικών υλικών στην ίδια εκτύπωση, μια δομή μπορεί να έχει πολλαπλές απαντήσεις αλλαγής σχήματος σε διαφορετικές περιοχές ή ακόμα και να είναι διατεταγμένες σε μια ακολουθία.
“Για παράδειγμα, λέει ο Jiang, καταδείξαμε τη διαδοχική λογική σχεδιάζοντας ένα κουτί που μετά την έκθεσή του σε κατάλληλο διαλύτη μπορεί αυτόματα να ανοίξει και μετά να κλείσει, έπειτα από ένα προκαθορισμένο χρονικό διάστημα. Σχεδιάσαμε επίσης ένα τεχνητό Venus flytrap που μπορεί να κλείσει μόνο αν το μηχανικό φορτίο εφαρμόζεται εντός καθορισμένου χρονικού ορίου και ένα κιβώτιο που ανοίγει μόνο εν παρουσία λαδιού και νερού».
Τόσο τα χημικά όσο και τα γεωμετρικά στοιχεία αυτής της ενσωματωμένης λογικής προσέγγισης είναι ανεξάρτητα από την κλίμακα, που σημαίνει ότι αυτές οι αρχές θα μπορούσαν επίσης να αξιοποιηθούν από δομές σε μικροσκοπικά μεγέθη, όπως σε chip.
Άλλες πιθανές εφαρμογές θα μπορούσαν να περιλαμβάνουν αισθητήρες σε απομακρυσμένα, σκληρά περιβάλλοντα, όπως ερήμους, βουνά ή ακόμα και άλλους πλανήτες. Χωρίς την ανάγκη για μπαταρίες ή υπολογιστές, αυτοί οι αισθητήρες με ενσωματωμένη λογική, θα μπορούσαν να παραμείνουν αδρανείς για χρόνια χωρίς ανθρώπινη αλληλεπίδραση και να ενεργοποιούνται μόνο όταν παρουσιάζονται τα κατάλληλα ερεθίσματα.
![Pinterest](https://pinterest.com/pin/create/button/?url=https://www.secnews.gr/173651/3d-ektyposi-ensomatomeni-logiki/&media=https://www.secnews.gr/wp-content/uploads/2019/01/1_0BFYCIPehPSdhw_tpgmdKg-min-1.jpeg&description=Με τη χρήση υλικών που ανταποκρίνονται στα ερεθίσματα, έχουν σχεδιάσει δομές που έχουν "ενσωματωμένη λογική". Μέσω του φυσικού και χημικού){kind=link}