Ученые из нескольких университетов Великобритании и Нидерландов создали механический метаматериал, обладающий свойствами «временного кристалла»

Ученые из нескольких университетов Великобритании и Нидерландов создали механический метаматериал, обладающий свойствами «временного кристалла». Его отдельные ячейки, изначально вибрирующие хаотично, самопроизвольно синхронизируются (за счёт нереципрокных связей и подвода энергии) и переходят в коллективное периодическое движение.

https://www.phy.cam.ac.uk/news/vibrating-material-organises-itself-into-a-single-beat/

Обычные кристаллы (например, соль или лёд) упорядочены в пространстве; временно?й кристалл же упорядочен во времени — его состояние периодически и стабильно повторяется во времени, даже без внешнего периодического воздействия.

Этот метаматериал со свойствами временного кристалла — не обычный кристалл в привычном понимании, а механическая система, состоящая из множества крошечных роботизированных модулей.

Ранее временные кристаллы наблюдались в основном в квантовых системах, требующих экстремальных условий, таких как сверхнизкие температуры. Эта работа впервые реализовала подобный феномен в макроскопической механической системе при комнатной температуре.

Секрет кроется в конструкции каждого «роботизированного модуля». В материале каждый шестиугольный элементарный блок содержит датчики (датчики Холла), исполнительные механизмы (звуковые катушки) и микроконтроллер.

1. Обнаружение и вычисление: когда один модуль подвергается сжатию или деформации со стороны соседа, датчик фиксирует деформацию.

2. В ответ микроконтроллер немедленно управляет исполнительным механизмом в соответствии с заранее запрограммированным правилом, прикладывая силу к соседнему модулю.

3. Правило спроектировано асимметричным. То есть, если модуль A толкает модуль B с силой F, ответная сила, которую модуль B через исполнительный механизм прикладывает к модулю A, не равна F (по величине или направлению).

Поскольку в систему непрерывно вводится энергия, на макроскопическом уровне механики «сила действия» и «сила противодействия» между соседними модулями оказываются неравными, что создаёт нереципрокное взаимодействие.

Это позволяет энергии непрерывно циркулировать и диссипировать определённым образом, что в конечном итоге приводит к спонтанной синхронизации всей системы.

Физически перед нами именно сборка из дискретных компонентов:

- 37 шестиугольных модулей (в двумерной версии) или 24 модуля (в кольцевой) — каждый со своим корпусом, датчиком Холла, звуковой катушкой, микроконтроллером и питанием.

- Модули соединены механически (через упругие связи/шарниры), а не сплавлены в единый кусок вещества.

- Свойства системы задаются программой в микроконтроллерах и схемой соединений — то есть инженерной топологией, а не химическим составом.

С этой точки зрения это самая настоящая мехатронная конструкция, ближайший бытовой аналог — «умный» конструктор или стая маленьких роботов, скреплённых друг с другом.

Термин «метаматериал» в современной науке означает не «вещество», а искусственную среду, свойства которой определяются её структурой (архитектурой), а не составом материала. Классические примеры — фотонные кристаллы, акустические метаматериалы: они тоже собраны из элементов, но ведут себя как единая среда с необычными коллективными свойствами.

Здесь происходит то же самое:

- Отдельный модуль — это «искусственный атом» (мета-атом).

- Связи между модулями — «искусственные межатомные взаимодействия».

- А коллективное поведение целого (спонтанная синхронизация, устойчивый во времени ритм) — это уже свойство среды, которого нет ни у одного отдельного модуля.

Именно поэтому авторы называют это «активным механическим метаматериалом». Слово «материал» здесь указывает на то, что нас интересуют коллективные, усреднённые свойства целого, а не работа каждого винтика.

В отличие от пассивного метаматериала, здесь каждый модуль потребляет энергию и реагирует на воздействие. Поэтому этот метаматериал назван «активным».

Это открытие прокладывает путь к созданию роботов, способных согласовывать свои действия без центрального контроллера, и к созданию гибких биомиметических устройств.

Традиционные роботы зависят от центрального процессора, который вычисляет и управляет каждым суставом, и при большом количестве степеней свободы возникают вычислительные задержки. Этот материал позволяет «правилам координации» быть встроенными в физическое взаимодействие, что обеспечивает децентрализованную самоорганизацию и прокладывает путь для биологически инспирированных роботов, способных к гибкому изменению формы и автономной координации движений.

Телеграм: t.me/ainewsline

Источник: www.phy.cam.ac.uk

Комментарии: