Gelatina de colores vivos: toma de decisiones a nivel de material sin una CPU

Cualquier cosa puede ser una inspiración para los científicos. Y si hablamos de representantes de flora y fauna, entonces son líderes en las listas de musas que inspiraron a grandes mentes para crear una amplia variedad de dispositivos, máquinas y tecnologías completas. Hoy nos familiarizaremos con un estudio inspirado en una criatura, un "apretón de manos" con el que llevaría algún tiempo: un pulpo. Los científicos de la Universidad de Carolina del Norte decidieron crear un dispositivo que, como las extremidades de un pulpo, pueda procesar información y tomar decisiones a nivel material y sin una computadora centralizada. ¿En qué consiste este dispositivo, qué funciones puede realizar y cuáles son las perspectivas de la "lógica táctil suave"? Aprendemos sobre esto del informe del grupo de investigación. Vamos

Base de estudio

El pulpo es el molusco invertebrado más inteligente del orden de los cefalópodos. El cuerpo blando del pulpo está equipado con ocho tentáculos, en los cuales hay ventosas especiales necesarias para la fijación a la superficie, sosteniendo la presa y el estudio táctil del entorno. Además, también hay papilas gustativas en los tentáculos, que permiten al pulpo determinar la comestibilidad de lo que toca (probablemente sería conveniente elegir productos en el mercado).



Los tentáculos del pulpo también son únicos, ya que 2/3 de todas las neuronas de su cuerpo se encuentran en ellos, lo que permite que los tentáculos actúen de forma independiente, es decir. No hay señal del cerebro. Es curioso que las "manos" del pulpo sean tan autónomas que le causen algunas molestias. El hecho es que nuestro héroe de ocho brazos no puede determinar con precisión la posición de sus extremidades por sensaciones, sino solo por la observación directa de sus tentáculos. Esto se debe al hecho de que el pulpo no tiene predicción estéreo completa, es decir La capacidad de reconocer objetos al tacto (su forma, tamaño, etc.). Un pulpo puede sentir secciones individuales de la textura de un objeto, pero no puede armar este rompecabezas en una sola imagen. En otras palabras, él sabe qué movimientos fueron hechos por una u otra mano solo si lo vio con sus propios ojos. Por supuesto, esto a veces causa inconvenientes, pero si los pulpos pudieran hablar, difícilmente se quejarían.

Los científicos en esta autonomía "manual" vieron el futuro y decidieron implementar la característica anatómica del pulpo utilizando la tecnología. En su trabajo, describen un dispositivo pequeño y bastante simple (por ahora) hecho de silicona y cadenas de metal fundido incrustadas en él, llamado por los científicos "lógica táctil suave" ( lógica táctil suave ).

Los materiales principales para el dispositivo son una mezcla de galio de bajo punto de fusión (Ga, 75% de la masa total) e indio (In, 25% de la masa total), así como un elastómero polidimetilsiloxano (PDMS).

El principio básico de este prototipo es el calentamiento de Joule, cuando el flujo de corriente eléctrica genera calor. Usando este efecto, que se realiza precisamente por metal líquido (punto de fusión 15.7 ° C) dentro del elastómero, es posible realizar un cambio de color del prototipo debido a la respuesta de los pigmentos introducidos.

Por lo tanto, hay un dispositivo suave y suficientemente elástico que cambia de color en respuesta a la presión o al estiramiento. Por lo tanto, este proceso continúa sin la participación de ningún centro de control, sino directamente en el material del prototipo.

Resultados de la investigación

Los científicos señalan que el cambio de color se eligió para este prototipo por una razón: en primer lugar, en esta etapa de implementación de tecnología, esta es una manera excelente y fácil de demostrar los principios básicos del dispositivo; En segundo lugar, el cambio de color está presente tanto en la naturaleza como en la tecnología. Los representantes del mundo animal del planeta Tierra usan cambios de color para disfrazarse de los depredadores, demostrar su toxicidad, buscar una pareja e incluso mostrar emociones, lo cual es especialmente común en las personas (más rojo de vergüenza, pálido de miedo, etc.). En el mundo tecnológico, el color también es importante, porque cambiar el color de píxeles individuales, grupos de píxeles y toda la imagen en el monitor es un método de interacción humano-máquina.

Sin embargo, hay una diferencia entre animales y tecnología. Las pantallas a menudo usan "estrategias activas" basadas en la generación de luz, y los animales usan "estrategias pasivas" cuando la luz externa se refleja en la superficie.

Según los científicos, una estrategia pasiva para cambiar la pigmentación se puede implementar de varias maneras: cristales líquidos termocrómicos, líquidos coloreados bombeados a través de microcanales, interferencia en películas delgadas, cristales fotónicos dinámicos y estructuras plasmónicas, materiales magnéticamente sensibles y moléculas electrocrómicas. En este trabajo, se utilizaron pigmentos termocrómicos.


Imagen No. 1

La figura 1a muestra la plataforma básica del prototipo: metal líquido, ubicado entre dos capas de PDMS, una de las cuales es transparente, y la otra contiene partículas termocrómicas. No se necesita una capa transparente para el funcionamiento de los dispositivos, pero solo le permite considerar cuidadosamente la dinámica del metal líquido en el proceso de investigación. La corriente que pasa a través del metal líquido genera el calentamiento de Joule, y las partículas termocrómicas cambian de color por encima de las temperaturas críticas debido a la reorganización de la estructura molecular.

Para demostrar este principio, la sustancia termosensible TF-R1 es de color rojo rosado. Esta versión del dispositivo muestra inmediatamente un color rojo, pero cuando la temperatura alcanza los 28 ° C y más, el color cambia a blanco (video a continuación).


Cambie de rojo a blanco cuando la temperatura alcance los 28 ° C.

La imagen IR (insertada en 1b ) muestra regiones de temperatura elevada que corresponden a la imagen visual observada de los cambios de color ( 1b ).

Naturalmente, se puede implementar un principio similar con cualquier color. Por ejemplo, los científicos usaron termocromos azules, y el dispositivo retuvo un color azul a temperatura ambiente, convirtiéndose en blanco solo a 37 ° C y más ( 1s ).


El color azul cambia a blanco cuando se calienta a 37 ° C y más.

En áreas donde el color no cambia, los alambres de cobre están presentes. Y dado que la resistencia específica del cobre (1.68 × 10 ⁻⁶ Ω · cm) es menor que la resistencia específica del metal líquido (29.4 × 10 ⁻⁶ Ω · cm), se genera menos calentamiento en julios, que no cambia de color en presencia de cobre.

Dado que diferentes sustancias termocrómicas tienen diferentes temperaturas de respuesta (activación), mezclarlas en un dispositivo crea un nuevo sistema que muestra tres colores ( 1d ).

La dinámica de temperatura en 1d también muestra cómo los colores cambian de uno a otro: magenta a azul (T <28 ° C, ya que no hay rojo) y luego a blanco (T> 37 ° C, no hay azul ni rojo). En dicho dispositivo, el ancho del canal de metal líquido es de 0,4 mm.


Cambio de color cuando cambia la corriente.

El proceso en sí es bastante comprensible, pero aún era necesario establecer a qué indicadores de potencia se produce un cambio de color. Con este fin, los científicos han sugerido que durante Joule se genera potencia de calentamiento ( P ) en base a la corriente aplicada ( I ) y la resistencia del metal líquido ( R ) de acuerdo con P = I ² R.

Dado que la resistencia es inversamente proporcional al ancho del canal, se llevaron a cabo experimentos en los que la geometría del dispositivo siempre permaneció igual, pero el ancho de los canales cambió (insertar en 1e ). Como se puede ver en el gráfico 1e , la temperatura es una función lineal del cuadrado de la corriente. Para una corriente dada, una disminución en el ancho del metal líquido aumentó el cambio de temperatura debido a un aumento en el calentamiento de Joule. Es decir, un aumento en la corriente no solo aumenta la temperatura máxima de la superficie, sino que también aumenta la región que experimenta temperaturas superficiales elevadas.

Se tomaron medidas del ancho de la región de cambio de color de cada dispositivo para establecer una relación entre el actual y el ancho de la región de cambio de color. Un aumento en la densidad de corriente (debido a un aumento en la corriente o debido a una disminución en el ancho del metal líquido) causó la expansión de las áreas de cambio de color.

Cambiar el color de la pigmentación en el reino animal se asocia con mayor frecuencia con el camuflaje, es decir. con la capacidad de mezclarse visualmente con el medio ambiente. El dispositivo bajo investigación también es capaz de esto.

La Figura 1f muestra el proceso de cambiar el color del dispositivo de acuerdo con el fondo. Este efecto se logra ajustando la corriente en los canales del metal líquido.


Cambio de color adaptativo (camuflaje).

También puede lograr no solo el color monocromático del dispositivo, sino diferentes combinaciones de diferentes colores ( 1g ). Cuando algunos colores comienzan a desvanecerse con el aumento de la corriente, otros se vuelven más brillantes.


Cambio dinámico cambio de color adaptativo.

Como ya entendimos, un tipo inusual de conductor es el metal líquido, que puede cambiar su forma, es decir, un gran papel en el éxito del prototipo. ser elástico, lo que permite obtener propiedades dinámicas de calentamiento Joule debido a deformaciones. En otras palabras, dicho sistema puede informar termocrómicamente sobre el estado del dispositivo (presión, tensión, etc.).

Los investigadores comparan este efecto con la mecanoquímica en la robótica suave, cuando el cambio de color corresponde a un cierto nivel de deformación, advirtiendo sobre un posible colapso. Sin embargo, en el caso de un conductor de metal líquido, no se necesita química, y el número de salidas colorimétricas es mucho mayor. Dado que el cambio de color, aunque debido a la exposición térmica, todavía se activa mecánicamente, los científicos llamaron a este proceso termomecanocromismo.

¿Cómo funciona todo esto? Los investigadores dan un ejemplo simple: la tensión del canal de metal líquido. En esta situación, la longitud del canal aumenta, pero el área de la sección transversal disminuye. La consecuencia de esto es un aumento en la resistencia y, en consecuencia, un aumento en el calentamiento de Joule ( 2a ).


Imagen No. 2

La deformación ( ɛ = ( L - L ₀ ) L _0-1 , donde L es la longitud) conduce a un aumento de la resistencia inicial (R ₀ ) de acuerdo con la siguiente fórmula:

R = R ₀ ( ɛ +1) ² .

Dada esta base teórica, los investigadores crearon un sensor que cambia de color en respuesta al voltaje. Como se esperaba, la resistencia del canal de metal líquido aumenta con el alargamiento ( 2b ). En el momento del estiramiento, se aplicó una corriente continua de 0.2 A (video a continuación).


Demostración de mecanocromía.

Con una deformación cero, esta corriente no es suficiente para activar un cambio de color, pero cuando el canal se alarga (deformación real), el calentamiento de julios comienza a aumentar, lo que lleva a un cambio de color.

La imagen 2c muestra imágenes de canales de metal líquido de 0,2 mm de grosor a varios voltajes. El dispositivo cambia de color de magenta a azul debido a la falta de rojo (a temperaturas> 28 ° C) y, además, cambia de azul a blanco con una deformación del 60% debido a la activación de los componentes termocrómicos azules. Luego, el dispositivo vuelve a ponerse morado cuando vuelve a 0% de deformación debido al termocromismo reversible.

Se puede usar un efecto similar para determinar el grado de deformación y su localización evaluando el color y el área de los cambios de color en el dispositivo.

Para comprender cómo cambia el color bajo tensión y, como resultado, para poder ajustar la reacción del color a la deformación, los científicos combinaron dos fórmulas importantes para este trabajo ( P = I ² R y R = R ₀ ( ɛ +1) ² ) y obtuvieron lo siguiente :

dP / d ( ɛ +1) = 2 I ² R ₀ ( ɛ +1).

Esta fórmula muestra que el cambio de potencia ( P ) con deformación ( ɛ ) depende de la corriente ( I , en estos experimentos es constante) y de la resistencia inicial ( R ₀ ). Resulta que el canal con una resistencia inicial más alta será más sensible al estiramiento. Para confirmar esta teoría, los investigadores crearon un conductor lineal con una longitud de 35 mm, una altura de 0.05 mm y un ancho de X mm (donde X era 0.2, 0.3, 0.4, 0.5 y 1.0 mm), después de lo cual midieron el ancho de la región de cambio de color al aplicar corriente continua.


Gráfico de los resultados de un experimento con diferente resistencia.

Como resultado del experimento, se descubrió que los dispositivos con un canal de metal líquido más estrecho cambian de color con una resistencia más baja. Por el contrario, el dispositivo más ancho nunca se vuelve blanco, incluso con una deformación del 180% debido a su baja resistencia inicial. Y esto sugiere que puede configurar el dispositivo ajustando la resistencia inicial para que el cambio de color ocurra a un cierto valor de voltaje.

Además de la resistencia, otro factor importante en el cambio de color es el actual. Durante el experimento, se aplicó una corriente de 0.2, 0.3 y 0.4 A a un dispositivo con un canal de 1 mm de ancho.


Gráfico de los resultados de un experimento con diferentes corrientes.

El dispositivo no cambia de color a blanco cuando se alarga usando 0.2 A. Después de aumentar la corriente a 0.4 A, el dispositivo puede cambiar de color a baja deformación (≈50%). Esta observación confirma que la corriente puede usarse para controlar la deformación en lugares de cambio de color.

Además de la tensión, existen otros tipos de deformación, uno de los cuales es la compresión. Al presionar el dispositivo también se produce un cambio en el tamaño de los canales de metal líquido. Un cambio en el área transversal del canal en este momento puede causar cambios locales de color por cambios locales en la resistencia (si la corriente es constante, por supuesto).

Para verificar esto, se realizó un experimento en el que se aplicó una corriente de 0.1 A al dispositivo y se aplicó una presión de 100, 200, 300 y 400 kPa (el intervalo de tiempo entre presiones fue de 15 segundos) sobre un área de 1x1 cm. Como se esperaba, el color cambió exactamente en el lugar de aplicación de presión.

El color azul inicial se volvió púrpura a una presión de 100 kPa, y luego apareció el color blanco a 200 kPa (video a continuación).


Demostración de la respuesta del dispositivo a la presión.

Luego, los científicos decidieron demostrar cómo la corriente y el ancho del canal de metal líquido afectan el cambio de color durante la compresión. Para esto, se hizo un canal de metal líquido con una longitud de 50 mm, una altura de 0.05 mm y un ancho de X mm (donde X = 0.2, 0.3, 0.4, 0.5 y 1.0 mm). Se aplicó una corriente de 0.1, 0.2 y 0.3 A al dispositivo con un canal de 1 mm de ancho, después de lo cual se midió el cambio de color en función de la presión ( 2e ). Los rangos de valores de presión en los que hay colores púrpura y azul aumentan con el aumento de la corriente.

Los investigadores señalan que los dispositivos que se muestran en 2d y 2e tienen solo un canal conductor. Por lo tanto, hacer clic en él conduce a un cambio local en la resistencia y un aumento en la densidad de corriente, ya que la corriente debe pasar a través de la región comprimida. Pero puede crear sistemas con varios canales para el paso de la corriente. Este concepto puede usarse para redistribuir energía en un circuito y realizar operaciones lógicas simples sin usar semiconductores.


Imagen No. 3

Para demostrar este concepto, se realizó un prototipo ( 3a ), que consta de dos áreas de "entrada" ( A y B en la imagen) y un área de "visualización" ( C en la imagen).

La señal de entrada en este caso es la presión. Al igual que el voltaje umbral en un transistor, hay una presión umbral necesaria para inducir suficiente corriente para causar un cambio de color en el "área de visualización". Siguiendo el lenguaje de la lógica binaria, los valores de presión por encima del umbral se denominan "1", y los valores a continuación se denominan "0".

Se aplicó una corriente de 0,4 A al dispositivo y se aplicaron varias señales de presión "1" y "0" en las áreas A y B. En respuesta a las señales, el área de visualización reaccionó con un cambio de color ( 3b ).


"Lógica táctil suave".

Estos cambios de color se producen debido a la redirección de la corriente eléctrica a la región C en función de la entrada física. Este dispositivo simple es una operación lógica similar a NAND, aunque la salida se complica por tres estados de salida en lugar de dos.


Dispositivo con 10 canales paralelos.

Este concepto se puede ampliar creando canales paralelos dentro del dispositivo, que redistribuirán la corriente cuando se presione.


El uso de la "lógica táctil suave" en dispositivos electrónicos.

Además del calentamiento de Joule, la corriente redistribuida puede activar ciertos elementos del circuito (LED en el video de arriba) o elementos mecánicos (ventilador en el video de abajo).


El uso de la "lógica táctil suave" en dispositivos mecánicos.

Para conocer más detalladamente los matices del estudio, le recomiendo que examine el informe de los científicos y los materiales adicionales .

Epílogo

En este estudio, los científicos demostraron dispositivos prototipo que consisten en un elastómero con uno o más canales conductores de metal líquido. El uso de tales canales permitió mantener la elasticidad del propio dispositivo. Se demostró el concepto de cambiar el color del dispositivo debido a los cristales líquidos termocrómicos, que responde a un cambio en un determinado indicador (o todos a la vez): el ancho del canal conductor, el grado de deformación, la corriente y la resistencia.

Este dispositivo es absurdamente simple y puede realizar ciertas funciones sin la participación del procesador central, es decir, a nivel del propio material. Sin embargo, este es solo un prototipo, que puede mejorarse y complicarse aún más al agregar canales adicionales y / o elementos termocrómicos para expandir su rango de capacidades y funcionalidad. El cambio de color no es lo único que puede hacer un dispositivo basado en la tecnología descrita anteriormente. Los elastómeros equipados con canales de metal líquido pueden cambiar de tamaño, posición, forma, etc. Dicha tecnología puede encontrar su aplicación en áreas como la robótica suave y las prótesis.

La descentralización de la toma de decisiones para el pulpo no es una novedad, sino para las máquinas hechas por el hombre; hasta ahora, esto es solo el futuro. Hasta qué punto este futuro lejano depende del éxito de tales estudios.



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