Mesmo sem cérebro ou sistema nervoso, a armadilha de Vênus parece tomar decisões sofisticadas sobre quando se fechar em uma presa em potencial, bem como para abrir quando acidentalmente pegar algo que não pode comer.

Pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Universidade da Pensilvânia se inspiraram nesses tipos de sistemas. Usando materiais responsivos a estímulos e princípios geométricos, eles projetaram estruturas que têm "lógica incorporada". Por meio de sua composição física e química apenas, eles são capazes de determinar qual das múltiplas respostas possíveis dar em resposta ao seu ambiente.

Apesar de não ter motores, baterias, circuitos ou processadores de qualquer tipo, eles podem alternar entre várias configurações em resposta a sinais ambientais pré-determinados, como umidade ou produtos químicos à base de óleo.

Usando impressoras 3D multi-materiais, os pesquisadores podem fazer essas estruturas ativas com portas lógicas if / then aninhadas, e pode controlar o tempo de cada portão, permitindo comportamentos mecânicos complicados em resposta a mudanças simples no ambiente. Por exemplo, ao utilizar esses princípios, um dispositivo de monitoramento da poluição aquática poderia ser projetado para abrir e coletar uma amostra apenas na presença de um produto químico à base de óleo e quando a temperatura estiver acima de um certo limite.

Os Penn Engineers publicaram um estudo de acesso aberto descrevendo sua abordagem no jornal Nature Communications .

O estudo foi liderado por Jordan Raney, professor assistente no Departamento de Engenharia Mecânica e Mecânica Aplicada da Penn Engineering, e Yijie Jiang, um pesquisador de pós-doutorado em seu laboratório. Lucia Korpas, um estudante de graduação no laboratório de Raney, também contribuíram para o estudo.

O laboratório de Raney está interessado em estruturas biestáveis, o que significa que eles podem manter uma de duas configurações indefinidamente. Também está interessado em materiais responsivos, que podem mudar sua forma nas circunstâncias corretas.

Essas habilidades não estão intrinsecamente relacionadas entre si, mas a "lógica incorporada" baseia-se em ambos.

"A biestabilidade é determinada pela geometria, Considerando que a capacidade de resposta vem das propriedades químicas do material, "Diz Raney." Nossa abordagem usa impressão 3D de vários materiais para fazer a ponte entre esses campos separados para que possamos aproveitar a capacidade de resposta do material para alterar os parâmetros geométricos de nossas estruturas da maneira certa. "

Em trabalhos anteriores, Raney e seus colegas demonstraram como imprimir treliças biestáveis ​​em 3-D de vigas de silicone angulares. Quando pressionados juntos, as vigas permanecem travadas em uma configuração deformada, mas pode ser facilmente puxado de volta para sua forma expandida.

Este comportamento biestável depende quase inteiramente do ângulo das vigas e da relação entre sua largura e comprimento, "Raney diz." Comprimir a rede armazena energia elástica no material. Se pudéssemos usar o ambiente de forma controlada para alterar a geometria das vigas, a estrutura deixaria de ser biestável e necessariamente liberaria sua energia de deformação armazenada. Você teria um atuador que não precisa de componentes eletrônicos para determinar se e quando a atuação deve ocorrer. "

Materiais que mudam de forma são comuns, mas o controle refinado sobre sua transformação é mais difícil de alcançar.

"Muitos materiais absorvem água e se expandem, por exemplo, mas eles se expandem em todas as direções. Isso não nos ajuda, porque significa que a proporção entre a largura e o comprimento das vigas permanece a mesma, "Raney diz." Precisávamos de uma maneira de restringir a expansão em uma única direção. "

A solução dos pesquisadores foi infundir suas estruturas impressas em 3D com fibras de vidro ou celulose, correndo em paralelo ao comprimento das vigas. Como a fibra de carbono, este esqueleto inelástico impede que os feixes se alongem, mas permite que o espaço entre as fibras se expanda, aumentando a largura das vigas.

Com este controle geométrico no lugar, respostas de mudança de forma mais sofisticadas podem ser obtidas alterando o material de que as vigas são feitas. Os pesquisadores fizeram estruturas ativas usando silicone, que absorve óleo, e hidrogéis, que absorvem água. Materiais sensíveis ao calor e à luz também podem ser incorporados, e materiais que respondam a estímulos ainda mais específicos podem ser projetados.

Alterando a relação comprimento / largura inicial das vigas, bem como a concentração das fibras internas rígidas, permite que os pesquisadores produzam atuadores com diferentes níveis de sensibilidade. E porque a técnica de impressão 3D dos pesquisadores permite o uso de diferentes materiais na mesma impressão, uma estrutura pode ter várias respostas de mudança de forma em diferentes áreas, ou mesmo organizados em uma sequência.

"Por exemplo, "Jiang disse, "demonstramos a lógica sequencial projetando uma caixa que, após a exposição a um solvente adequado, pode abrir e fechar de forma autônoma após um tempo predefinido. Também projetamos uma armadilha voadora de Vênus artificial que pode fechar apenas se uma carga mecânica for aplicada dentro de um intervalo de tempo designado, e uma caixa que só abre se houver óleo e água. "

Ambos os elementos químicos e geométricos desta abordagem de lógica incorporada são independentes de escala, o que significa que esses princípios também podem ser aproveitados por estruturas em tamanhos microscópicos.

"Isso pode ser útil para aplicações em microfluídica, "Diz Raney." Em vez de usar um sensor de estado sólido e um microprocessador que lêem constantemente o que está fluindo para um chip microfluídico, poderíamos, por exemplo, projetar um portão que feche automaticamente se detectar um determinado contaminante. "

Outras aplicações potenciais podem incluir sensores remotos, ambientes severos, como desertos, montanhas, ou mesmo outros planetas. Sem a necessidade de baterias ou computadores, esses sensores lógicos incorporados podem permanecer dormentes por anos sem interação humana, apenas entrando em ação quando apresentado com a sugestão ambiental certa.