Geléia colorida e animada: tomada de decisão em nível de material sem CPU

Qualquer coisa pode ser uma inspiração para os cientistas. E se falamos de representantes da flora e fauna, eles são líderes nas listas de musas que inspiraram grandes mentes a criar uma ampla variedade de dispositivos, máquinas e tecnologias inteiras. Hoje vamos nos familiarizar com um estudo inspirado em uma criatura, um “aperto de mão” com o qual levaria algum tempo - um polvo. Cientistas da Universidade da Carolina do Norte decidiram criar um dispositivo que, como os membros de um polvo, poderá processar informações e tomar decisões no nível material e sem um computador centralizado. Em que consiste este dispositivo, em que funções ele já pode executar e quais são as perspectivas de “lógica tátil suave”? Aprendemos sobre isso no relatório do grupo de pesquisa. Vamos lá

Base de estudo

O polvo é o molusco invertebrado mais experiente da ordem dos cefalópodes. O corpo mole do polvo é equipado com oito tentáculos, nos quais são necessárias ventosas especiais para fixação na superfície, mantendo a presa e o estudo tátil do ambiente. Além disso, também existem paladares nos tentáculos, que permitem ao polvo determinar a comestibilidade do que toca (provavelmente seria conveniente escolher produtos no mercado).



Os tentáculos do polvo também são únicos, pois 2/3 de todos os neurônios do corpo estão localizados neles, o que permite que os tentáculos ajam de forma independente, ou seja, nenhum sinal do cérebro. É engraçado que as "mãos" do polvo sejam tão autônomas que isso lhe traga alguns inconvenientes. O fato é que nosso herói de oito braços não pode determinar com precisão a posição de seus membros por sensações, mas apenas pela observação direta de seus tentáculos. Isso se deve ao fato de o polvo não ter previsão estéreo completa, ou seja, a capacidade de reconhecer objetos pelo toque (sua forma, tamanho, etc.). Um polvo pode detectar seções individuais da textura de um objeto, mas não pode montar esse quebra-cabeça em uma única imagem. Em outras palavras, ele sabe quais movimentos foram feitos por uma ou outra mão apenas se a visse com seus próprios olhos. Obviamente, isso às vezes causa inconveniência, mas se os polvos pudessem falar, dificilmente reclamariam.

Os cientistas nesta autonomia "manual" viram o futuro e decidiram implementar a característica anatômica do polvo usando a tecnologia. Em seu trabalho, eles descrevem um dispositivo pequeno e bastante simples (por enquanto) feito de silicone e correntes de metal fundido embutidas nele, chamadas pelos cientistas de "lógica tátil suave" ( lógica tátil suave ).

Os principais materiais para o dispositivo são uma mistura de gálio de baixo ponto de fusão (Ga, 75% da massa total) e índio (em 25% da massa total), além de um elastômero polidimetilsiloxano (PDMS).

O princípio básico deste protótipo é o aquecimento por Joule, quando o calor é gerado pelo fluxo de corrente elétrica. Utilizando esse efeito, realizado precisamente pelo metal líquido (ponto de fusão 15,7 ° C) no interior do elastômero, é possível realizar uma mudança de cor do protótipo devido à resposta dos pigmentos introduzidos.

Assim, existe um dispositivo macio e suficientemente elástico que muda de cor em resposta à pressão ou ao alongamento. Portanto, esse processo prossegue sem a participação de qualquer centro de controle, mas diretamente no material do protótipo.

Resultados da pesquisa

Os cientistas observam que a mudança de cor foi escolhida para este protótipo por um motivo: em primeiro lugar, nesta fase da implementação da tecnologia, essa é uma maneira excelente e fácil de demonstrar os princípios básicos do dispositivo; segundo, a mudança de cor está presente tanto na natureza quanto na tecnologia. Representantes do mundo animal do planeta Terra usam a mudança de cor para se disfarçar de predadores, demonstrar sua toxicidade, procurar um parceiro e até mostrar emoções, que são especialmente inerentes às pessoas (mais vermelhas de vergonha, pálidas de medo etc.). No mundo da tecnologia, a cor também é importante, porque alterar a cor de pixels individuais, agrupamentos de pixels e toda a imagem no monitor é um método de interação homem-máquina.

No entanto, existe uma diferença entre animais e tecnologia. Os displays costumam usar “estratégias ativas” baseadas na geração de luz, e os animais usam “estratégias passivas” quando a luz externa é refletida na superfície.

De acordo com os cientistas, uma estratégia passiva para alterar a pigmentação pode ser implementada de várias maneiras: cristais líquidos termocrômicos, líquidos coloridos bombeados através de microcanais, interferência em filmes finos, cristais fotônicos dinâmicos e estruturas plasmônicas, materiais magneticamente sensíveis e moléculas eletrocrômicas. Neste trabalho, pigmentos termocrômicos foram utilizados.


Imagem Nº 1

A Figura 1a mostra a plataforma básica do protótipo: metal líquido, localizado entre duas camadas de PDMS, uma das quais é transparente e a outra contém partículas termocrômicas. Uma camada transparente não é necessária para a operação dos dispositivos, mas apenas permite considerar cuidadosamente a dinâmica do metal líquido no processo de pesquisa. A corrente que passa pelo metal líquido gera aquecimento Joule, e as partículas termocrômicas mudam de cor acima das temperaturas críticas devido ao rearranjo da estrutura molecular.

Para demonstrar esse princípio, a substância termossensível TF-R1 é vermelho-rosa. Esta versão do dispositivo mostra imediatamente uma cor vermelha, mas quando a temperatura atinge 28 ° C e acima, a cor muda para branco (vídeo abaixo).


Mude de vermelho para branco quando a temperatura atingir 28 ° C.

A imagem IR (inserida em 1b ) mostra regiões de temperatura elevada correspondentes à imagem visual observada de alterações de cor ( 1b ).

Naturalmente, um princípio semelhante pode ser implementado com qualquer cor. Por exemplo, os cientistas usaram termocromos azuis e o dispositivo retinha uma cor azul à temperatura ambiente, ficando branco apenas a 37 ° C e acima ( 1s ).


A cor azul muda para branco quando aquecida a 37 ° C e acima.

Nas áreas em que a cor não muda, estão presentes fios de cobre. E como a resistência específica do cobre (1,68 x 10−6 Ω cm) é menor que a resistência específica do metal líquido (29,4 x 10 ⁻⁶ Ω cm), é gerado menos aquecimento de Joule, o que não muda de cor na presença de cobre.

Dado que diferentes substâncias termocrômicas têm diferentes temperaturas de resposta (ativação), misturá-las em um dispositivo cria um novo sistema que exibe três cores ( 1d ).

A dinâmica da temperatura em 1d também mostra como as cores mudam de uma para a outra: magenta para azul (T <28 ° C, como não há vermelho) e, em seguida, para branco (T> 37 ° C, não há azul e vermelho). Nesse dispositivo, a largura do canal de metal líquido é de 0,4 mm.


Mudança de cor quando as mudanças atuais.

O processo em si é bastante compreensível, mas ainda era necessário estabelecer em quais indicadores de potência uma mudança de cor ocorre. Para este fim, os cientistas sugeriram que durante o Joule a potência de aquecimento ( P ) é gerada com base na corrente aplicada ( I ) e na resistência do metal líquido ( R ) de acordo com P = I ² R.

Como a resistência é inversamente proporcional à largura do canal, foram realizadas experiências nas quais a geometria do dispositivo sempre permaneceu a mesma, mas a largura dos canais mudou (inserto em 1e ). Como pode ser visto no gráfico 1e , a temperatura é uma função linear do quadrado da corrente. Para uma determinada corrente, uma diminuição na largura do metal líquido aumentou a mudança de temperatura devido a um aumento no aquecimento de Joule. Ou seja, um aumento na corrente não apenas aumenta a temperatura máxima da superfície, mas também aumenta a região experimentando temperaturas elevadas da superfície.

Foram feitas medições da largura da região de mudança de cor de cada dispositivo para estabelecer uma relação entre a corrente e a largura da região de mudança de cor. Um aumento na densidade de corrente (devido a um aumento de corrente ou devido a uma diminuição na largura do metal líquido) causou a expansão das áreas de mudança de cor.

A alteração da cor da pigmentação no reino animal é mais frequentemente associada à camuflagem, ou seja, com a capacidade de se misturar visualmente com o ambiente. O dispositivo sob investigação também é capaz disso.

A Figura 1f mostra o processo de alteração da cor do dispositivo de acordo com o plano de fundo. Este efeito é alcançado ajustando a corrente nos canais do metal líquido.


Mudança de cor adaptável (camuflagem).

Você também pode obter não apenas a cor monocromática do dispositivo, mas combinações diferentes de cores diferentes ( 1g ). Quando algumas cores começam a desaparecer com o aumento da corrente, outras se tornam mais brilhantes.


Mudança dinâmica mudança de cor adaptável.

Como já entendemos, um grande papel no sucesso do protótipo é desempenhado por um tipo incomum de condutor - metal líquido, capaz de mudar sua forma, ou seja, ser elástico, o que permite obter propriedades dinâmicas do aquecimento de Joule devido a deformações. Em outras palavras, esse sistema pode reportar termocrômicamente o estado do dispositivo (pressão, tensão, etc.).

Os pesquisadores comparam esse efeito com a mecanoquímica na robótica eletrônica, quando a mudança de cor corresponde a um certo nível de deformação, alertando sobre uma possível falha. No entanto, no caso de um condutor de metal líquido, não é necessária química e o número de saídas colorimétricas é muito maior. Dado que a mudança de cor, embora devida à exposição térmica, ainda seja ativada mecanicamente, os cientistas denominaram esse processo de termomecanocromismo.

Como isso tudo funciona? Os pesquisadores dão um exemplo simples - a tensão do canal de metal líquido. Nesta situação, o comprimento do canal aumenta, mas a área da seção transversal diminui. A conseqüência disso é um aumento na resistência e, consequentemente, um aumento no aquecimento de Joule ( 2a ).


Imagem No. 2

A deformação ( ɛ = ( L - L ₀ ) L _0-1 , onde L é o comprimento) leva a um aumento na resistência inicial (R ₀ ), de acordo com a seguinte fórmula:

R = R ₀ ( ɛ +1) ² .

Dada essa base teórica, os pesquisadores criaram um sensor que muda de cor em resposta à tensão. Como esperado, a resistência do canal de metal líquido aumenta com o alongamento ( 2b ). No momento do alongamento, uma corrente direta de 0,2 A foi aplicada (vídeo abaixo).


Demonstração de mecanocromia.

Na deformação zero, essa corrente não é suficiente para ativar uma mudança de cor, mas quando o canal é alongado (deformação real), o aquecimento do joule começa a aumentar, levando a uma mudança de cor.

A imagem 2c mostra imagens de canais de metal líquido com 0,2 mm de espessura em várias tensões. O dispositivo muda de cor de magenta para azul devido à falta de vermelho (a temperaturas> 28 ° C) e alterna adicionalmente de azul para branco com 60% de deformação devido à ativação de componentes termocrômicos azuis. Em seguida, o dispositivo novamente fica roxo quando retorna à deformação de 0% devido ao termocromismo reversível.

Um efeito semelhante pode ser usado para determinar o grau de deformação e sua localização, avaliando a cor e a área das alterações de cor no dispositivo.

Para entender como a cor muda sob tensão e, como resultado, para ajustar a reação da cor à deformação, os cientistas combinaram duas fórmulas importantes para este trabalho ( P = I ² R e R = R ₀ ( ɛ +1) ² ) e obtiveram o seguinte :

dP / d ( ± 1 ) = 2 I ² R ₀ ( ± +1).

Essa fórmula mostra que a mudança de potência ( P ) com deformação ( ɛ ) depende da corrente ( I , nessas experiências é constante) e da resistência inicial ( R ₀ ). Acontece que o canal com maior resistência inicial será mais sensível ao alongamento. Para confirmar essa teoria, os pesquisadores criaram um condutor linear com um comprimento de 35 mm, uma altura de 0,05 mm e uma largura de X mm (onde X era 0,2, 0,3, 0,4, 0,5 e 1,0 mm), após o que mediram a largura da região de mudança de cor ao aplicar corrente direta.


Gráfico dos resultados de um experimento com resistência diferente.

Como resultado do experimento, verificou-se que dispositivos com um canal de metal líquido mais estreito mudam de cor com uma resistência mais baixa. Por outro lado, o dispositivo mais largo nunca fica branco, mesmo com uma deformação de 180% devido à sua baixa resistência inicial. E isso sugere que você pode configurar o dispositivo ajustando a resistência inicial para que a mudança de cor ocorra com um determinado valor de tensão.

Além da resistência, outro fator importante na mudança de cor é a corrente. Durante o experimento, uma corrente de 0,2, 0,3 e 0,4 A foi aplicada a um dispositivo com um canal de 1 mm de largura.


Gráfico dos resultados de um experimento com diferentes correntes.

O dispositivo não muda de cor para branco quando alongado usando 0,2 A. Depois de aumentar a corrente para 0,4 A, o dispositivo pode mudar de cor com baixa deformação (± 50%). Esta observação confirma que a corrente pode ser usada para controlar a deformação em locais de mudança de cor.

Além do alongamento, existem vários outros tipos de deformação, um dos quais é a compressão. Pressionar o dispositivo também leva a uma alteração no tamanho dos canais de metal líquido. Uma mudança na área transversal do canal neste momento pode causar alterações locais na cor devido a alterações locais na resistência (se a corrente for constante, é claro).

Para verificar isso, foi realizado um experimento no qual foi aplicada uma corrente de 0,1 A ao dispositivo e uma pressão de 100, 200, 300 e 400 kPa (o intervalo de tempo entre as pressões foi de 15 segundos) sobre uma área de 1x1 cm. Como esperado, a cor mudou exatamente no local de aplicação da pressão.

A cor azul inicial ficou roxa a uma pressão de 100 kPa e depois a cor branca apareceu a 200 kPa (vídeo abaixo).


Demonstração da resposta do dispositivo à pressão.

Em seguida, os cientistas decidiram demonstrar como a corrente e a largura do canal de metal líquido afetam a mudança de cor durante a compressão. Para isso, foi realizado um canal de metal líquido com comprimento de 50 mm, altura de 0,05 mm e largura de X mm (onde X = 0,2, 0,3, 0,4, 0,5 e 1,0 mm). Uma corrente de 0,1, 0,2 e 0,3 A foi aplicada ao dispositivo com um canal de 1 mm de largura, após o qual a mudança de cor foi medida em função da pressão ( 2e ). As faixas de valores de pressão nas quais existem cores roxa e azul aumentam com o aumento da corrente.

Os pesquisadores observam que os dispositivos mostrados em 2d e 2e têm apenas um canal condutor. Assim, clicar nele leva a uma mudança local na resistência e a um aumento na densidade da corrente, uma vez que a corrente deve passar pela região comprimida. Mas você pode criar sistemas com vários canais para a passagem de corrente. Esse conceito pode ser usado para redistribuir energia em um circuito e executar operações lógicas simples sem o uso de semicondutores.


Imagem No. 3

Para demonstrar esse conceito, foi feito um protótipo ( 3a ), composto por duas áreas de "entrada" ( A e B na imagem) e uma área de "exibição" ( C na imagem).

O sinal de entrada neste caso é a pressão. Como a tensão limite em um transistor, existe uma pressão limite necessária para induzir corrente suficiente para causar uma mudança de cor na "área de exibição". Seguindo o idioma da lógica binária, os valores de pressão acima do limite são chamados "1" e os valores abaixo são chamados "0".

Uma corrente de 0,4 A foi aplicada ao dispositivo e vários sinais de pressão “1” e “0” foram aplicados nas áreas A e B. Em resposta aos sinais, a área de exibição reagiu com uma mudança de cor ( 3b ).


"Lógica táctil suave."

Essas mudanças de cor ocorrem devido ao redirecionamento da corrente elétrica para a região C com base na entrada física. Esse dispositivo simples é uma operação lógica do tipo NAND, embora a saída seja complicada por três estados de saída em vez de dois.


Dispositivo com 10 canais paralelos.

Esse conceito pode ser expandido através da criação de canais paralelos dentro do dispositivo, que redistribuirão a corrente quando pressionados.


O uso da "lógica tátil suave" em dispositivos eletrônicos.

Além do aquecimento por Joule, a corrente redistribuída pode ativar certos elementos do circuito (LEDs no vídeo acima) ou elementos mecânicos (ventilador no vídeo abaixo).


O uso da "lógica tátil suave" em dispositivos mecânicos.

Para um conhecimento mais detalhado das nuances do estudo, recomendo que você analise o relatório dos cientistas e materiais adicionais .

Epílogo

Neste estudo, os cientistas demonstraram protótipos de dispositivos que consistem em um elastômero com um ou mais canais condutores de metal líquido. O uso de tais canais permitiu manter a elasticidade do próprio dispositivo. Foi demonstrado o conceito de mudar a cor do dispositivo devido a cristais líquidos termocrômicos, que responde a uma alteração em um determinado indicador (ou de uma só vez): a largura do canal condutor, o grau de deformação, corrente e resistência.

Este dispositivo é absurdamente simples e pode executar determinadas funções sem a participação do processador central, ou seja, no nível do próprio material. No entanto, este é apenas um protótipo, que pode ser melhorado e complicado com a adição de canais adicionais e / ou elementos termocrômicos para expandir sua gama de recursos e funcionalidades. A mudança de cor não é a única coisa que um dispositivo baseado na tecnologia descrita acima pode fazer. Elastômeros equipados com canais metálicos líquidos podem mudar de tamanho, posição, forma etc. Essa tecnologia pode ser aplicada em áreas como robótica leve e próteses.

A descentralização da tomada de decisões para o polvo não é uma novidade, mas para máquinas fabricadas pelo homem - até agora, este é apenas o futuro. Até que ponto esse futuro distante depende do sucesso de tais estudos.



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