A mechanically embodied, double-network hydrogel adaptive memory element for reprogrammable actuation
Questo articolo presenta un attuatore idrogel a doppia rete guidato dalla luce che integra una rapida flessione fototermica con una memoria meccanica non volatile e otticamente riscrivibile, consentendo un'attuazione soft riprogrammabile e dipendente dalla storia attraverso le scale temporali accoppiate del rilassamento termico e viscoelastico.
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Gli esseri viventi non si limitano a reagire al mondo; lo ricordano. Un muscolo che è stato esercitato risponde diversamente a un nuovo carico rispetto a uno che ha riposato, e un sistema nervoso impara alterando il modo in cui elabora i segnali futuri sulla base dell'esperienza passata. Questa capacità di memorizzare uno stato interno che cambia il modo in cui un materiale si comporta è un tratto distintivo della biologia, eppure la maggior parte delle macchine create dall'uomo ne è priva. Un braccio robotico sintetico, ad esempio, è costruito con un insieme fisso di istruzioni: premi un pulsante e si muove di una distanza specifica. Non impara dal movimento, né cambia il proprio comportamento in base a quante volte si è mosso prima. Gli scienziati cercano da tempo di integrare l' "intelligenza fisica" nei materiali morbidi, creando dispositivi capaci di percepire, decidere e agire senza un computer centrale. La sfida è stata rendere questi materiali capaci di ricordare la propria storia non solo come un eco temporaneo, ma come uno stato stabile e riscrivibile che possa essere deliberatamente cambiato, proprio come scrivere e cancellare una nota su un foglio di carta.
Ricercatori dell'Università di Bristol e dell'Australian National University hanno sviluppato un materiale morbido, a base acquosa, che raggiunge questo tipo di memoria meccanica. Hanno creato un attuatore idrogel, una piccola asta fatta di una sostanza gelatinosa che si piega quando esposta alla luce. Ciò che rende unico questo materiale è che combina due comportamenti diversi in una singola struttura. Una parte del gel reagisce istantaneamente alla luce, piegandosi rapidamente per poi tornare lentamente alla sua forma originale, proprio come una molla che perde la sua tensione nel tempo. L'altra parte del gel conserva la memoria della luce che ha ricevuto, cambiando la propria rigidità interna in un modo che dura per giorni. Collegando queste due parti, i ricercatori hanno costruito un dispositivo che può essere addestrato a piegarsi più o meno del solito, e poi riaddestrato per tornare al proprio comportamento originale, il tutto rimanendo umido e flessibile.
Il materiale è costruito da due reti interconnesse di molecole. La prima rete contiene nanoparticelle d'oro e un polimero termosensibile. Quando un laser colpisce questa parte del gel, le particelle d'oro si scaldano, facendo restringere il polimero e piegando l'asta. Questa reazione è veloce e reversibile; una volta spenta la luce, il gel si raffredda e si rilassa lentamente tornando alla sua forma dritta. Se gli impulsi luminosi sono ripetuti frequentemente con lunghe pause tra loro, il gel ritorna alla sua posizione iniziale ogni volta. Tuttavia, se gli impulsi arrivano rapidamente, il gel non ha il tempo di rilassarsi completamente e la flessione si accumula leggermente. Questo comportamento è noto come "integratore con perdita" (leaky integrator), dove il materiale ricorda brevemente gli eventi recenti ma alla fine li dimentica man mano che il calore si dissipa e l'acqua all'interno del gel si ridistribuisce.
Per conferire al gel una memoria permanente, i ricercatori hanno aggiunto una seconda rete contenente una speciale molecola chiamata azobenzene. Questa molecola può passare tra due diverse forme, o isomeri, a seconda del colore della luce che riceve. Una forma è stabile e rigida, mentre l'altra è meno stabile e più morbida. Fondamentalmente, una volta che la molecola passa alla forma rigida, vi rimane per molto tempo, a meno che non venga colpita da un colore specifico di luce per cambiare nuovamente. Quando i ricercatori hanno costruito il loro idrogel a doppia rete, hanno scoperto che la rigidità della cerniera in cui l'asta si piega dipendeva da quale forma si trovassero le molecole di azobenzene. Se le molecole erano nella forma rigida, il gel si piegava più bruscamente quando colpito dal laser. Se erano nella forma morbida, il gel si piegava meno.
Il team ha dimostrato di poter usare la luce per "scrivere" un nuovo comportamento nel gel. Proiettando un laser blu sulla cerniera di un gel che era inizialmente in uno stato morbido, hanno costretto le molecole a passare allo stato rigido. Dopo questo addestramento, il gel si piegava significativamente di più quando testato con un impulso laser standard, anche se l'impulso di test era identico a quelli usati in precedenza. Questo aumento della flessione non era un effetto temporaneo; persisteva per giorni. I ricercatori hanno poi dimostrato che questa memoria poteva essere cancellata. Proiettando un laser verde sulla cerniera per un'ora, hanno riportato le molecole al loro stato morbido, e il gel è tornato al suo comportamento originale, meno reattivo. Potevano poi scrivere nuovamente lo stato rigido, provando che il materiale poteva essere riprogrammato ripetutamente senza degradarsi o necessitare di asciugatura.
Questo lavoro smentisce l'idea che il cambiamento di comportamento sia stato causato da semplice fatica o danneggiamento del materiale. Il gel non si è solo "stancato" smettendo di piegarsi; ha attivamente cambiato il modo in cui rispondeva allo stesso input. Ha anche dimostrato che la memoria non era solo una forma fissa mantenuta dall'essiccazione, come avviene in altri materiali a "memoria di forma". Invece, la memoria era conservata nello stato chimico delle molecole stesse, che alteravano le proprietà meccaniche del gel umido durante il suo funzionamento. I ricercatori hanno scoperto che l'effetto era asimmetrico: il passaggio delle molecole allo stato rigido aumentava la flessione, ma il passaggio allo stato morbido non diminuiva la flessione in modo perfettamente simmetrico. Ciò suggerisce che il cambiamento di rigidità altera il modo in cui la forza viene trasferita attraverso lo spessore del gel, creando una risposta non lineare che dipende dalla storia del materiale.
La portata di questa scoperta risiede nel modo in cui essa cambia il nostro modo di concepire le macchine morbide. Invece di costruire un robot che si affida a sensori esterni e computer per decidere come muoversi, questo materiale incarna il processo decisionale all'interno della propria struttura. Può imparare facendo, adattando la propria risposta in base a ciò che ha esperito, e poi "disimparare" quel comportamento quando la situazione cambia. I ricercatori descrivono questo come un sistema "memristivo", un termine preso dall'elettronica per descrivere un componente la cui resistenza dipende dalla sua storia. In questo caso, la resistenza meccanica del gel cambia in base alla luce che ha assorbito. Accoppiando un sistema reattivo e veloce con uno lento e persistente, il team ha creato un materiale capace di memorizzare informazioni e utilizzare tali informazioni per modificare le proprie azioni future. Questo approccio offre una nuova strada verso macchine morbide adattive che possono operare in ambienti imprevedibili, imparando dalle loro interazioni e adattando il proprio comportamento senza la necessità di complessi sistemi di controllo esterni.
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