Durante el enjambre de aves o peces, cada entidad coordina su ubicación en relación con las demás, de modo que el enjambre se mueve como una unidad más grande y coherente. Las luciérnagas, por otro lado, coordinan su comportamiento temporal: dentro de un grupo, eventualmente todas parpadeanencendido y apagado al mismo tiempo y, por lo tanto, actúan como osciladores sincronizados.
Sin embargo, pocas entidades coordinan tanto sus movimientos espaciales como sus relojes de tiempo inherentes; los ejemplos limitados se denominan "swarmalators" 1, que simultáneamente pululan en el espacio y oscilan en el tiempo. Las ranas arbóreas japonesas son swarmalators ejemplares: cada rana cambia tanto de ubicacióny la tasa de croar en relación con todas las demás ranas en un grupo.
Además, las ranas cambian de forma cuando croan: el saco de aire debajo de la boca se infla y desinfla para producir el sonido. Este comportamiento coordinado juega un papel importante durante el apareamiento y, por lo tanto, es vital para la supervivencia de las ranas. En el reino sintéticoCasi no existen sistemas de materiales en los que las unidades individuales sincronicen simultáneamente su ensamblaje espacial, oscilaciones temporales y cambios morfológicos. Estos materiales altamente autoorganizados son importantes para crear robots blandos autopropulsados que se unen y alteran cooperativamente su forma para lograr un funcionamiento regular y repetido.función.
Los ingenieros químicos de la Escuela de Ingeniería Swanson de la Universidad de Pittsburgh han diseñado un sistema de materiales flexibles auto-oscilantes que muestran un modo distintivo de autoorganización dinámica. Además de exhibir el comportamiento de swarmalator, los materiales componentes se adaptan mutuamente a suformas a medida que interactúan en una cámara llena de líquido. Estos sistemas pueden allanar el camino para la fabricación de sistemas robóticos blandos autorregulables y colaborativos.
La investigación del grupo se publicó esta semana en la revista Actas de la Academia Nacional de Ciencias . La investigadora principal es Anna C. Balazs, profesora distinguida de ingeniería química y del petróleo y la cátedra de ingeniería John A. Swanson. El autor principal es Raj Kumar Manna y el coautor es Oleg E. Shklyaev, ambos asociados postdoctorales.
"Los materiales auto-oscilantes convierten una señal no periódica en el movimiento periódico del material", explicó Balazs. "Utilizando nuestros modelos informáticos, primero diseñamos láminas flexibles de tamaño micrométrico y milimétrico en solución que responden a una entrada no periódica de productos químicosreactivos al experimentar espontáneamente cambios oscilatorios en la ubicación, el movimiento y la forma. Por ejemplo, una hoja única inicialmente plana se transforma en una forma tridimensional que se asemeja a una cola de pez ondulante, que oscila simultáneamente hacia adelante y hacia atrás a través de la microcámara ".
Las auto-oscilaciones de las láminas flexibles son impulsadas por reacciones catalíticas en una cámara fluídica. Las reacciones en las superficies de la lámina y la cámara inician un circuito de retroalimentación complejo: la energía química de la reacción se convierte en un flujo de fluido, que transporta ydeforma las láminas flexibles. Las láminas que evolucionan estructuralmente a su vez afectan el movimiento del fluido, que continúa deformando las láminas.
"Lo que es realmente intrigante es que cuando introducimos una segunda hoja, descubrimos formas novedosas de autoorganización entre estructuras vibratorias", agrega Manna. En particular, las dos hojas forman osciladores acoplados que se comunican a través del fluido para coordinar no solosu ubicación y pulsaciones temporales, pero también sincronizan sus cambios mutuos de forma. Este comportamiento es análogo al de los enjambres de ranas arborícolas que coordinan su ubicación espacial relativa y el tiempo de croar, lo que también implica un cambio periódico en la forma de la rana con ungarganta inflada o desinflada.
"El comportamiento dinámico complejo es una característica crítica de los sistemas biológicos", dice Shklyaev. Las cosas no solo se juntan y dejan de moverse. De manera análoga, estas láminas se ensamblan en el tiempo y espacio adecuados para formar un sistema dinámico compuesto más grande. Además,esta estructura se autorregula y puede realizar funciones que una sola hoja por sí sola no puede realizar ".
"Para dos o más láminas, las oscilaciones temporales colectivas y el comportamiento espacial se pueden controlar variando el tamaño de las diferentes láminas o el patrón de recubrimiento del catalizador en la lámina", dice Balazs. Estas variaciones permiten controlar la fase relativa delas oscilaciones, por ejemplo, los osciladores pueden moverse en fase o antifase.
"Estos son resultados muy emocionantes porque las láminas 2D se auto-transforman en objetos 3D, que traducen espontáneamente una señal no oscilante en" instrucciones "para formar un agregado más grande cuya forma y movimiento periódico está regulado por cada una de sus partes móviles,", señala." Nuestra investigación podría eventualmente conducir a formas de computación bioinspirada, al igual que los osciladores acoplados se utilizan para transmitir información en la electrónica, pero con un comportamiento auto-sostenido y autorregulador ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Pittsburgh . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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