Engenheiros da Duke University desenvolveram uma superfície macia escalável que pode se remodelar continuamente para imitar objetos na natureza. Contando com atuação eletromagnética, modelagem mecânica e aprendizado de máquina para formar novas configurações, a superfície pode até aprender a se adaptar a obstáculos como elementos quebrados, restrições inesperadas ou ambientes em mudança.
A pesquisa aparece on-line em 21 de setembro na revista Nature .

“Somos motivados pela ideia de controlar as propriedades do material ou comportamentos mecânicos de um objeto projetado em tempo real, o que pode ser útil para aplicações como robótica suave, realidade aumentada, materiais biomiméticos e wearables específicos do assunto”, disse Xiaoyue Ni, professor assistente de engenharia mecânica e ciência de materiais na Duke. “Estamos nos concentrando em projetar a forma da matéria que não foi predeterminada, o que é uma tarefa bastante difícil de alcançar, especialmente para materiais macios”.

Trabalhos anteriores sobre metamorfose de matéria, de acordo com Ni, normalmente não eram programáveis; foi programado em vez disso. Ou seja, superfícies macias equipadas com elementos ativos projetados podem mudar suas formas entre algumas formas, como um pedaço de origami, em resposta à luz ou calor ou outros estímulos. Em contraste, Ni e seu laboratório queriam criar algo muito mais controlável que pudesse se transformar e reconfigurar quantas vezes quisesse em qualquer forma fisicamente possível.

Para criar essa superfície, os pesquisadores começaram colocando uma grade de vigas semelhantes a cobras feitas de uma fina camada de ouro encapsulada por uma fina camada de polímero. As vigas individuais têm apenas oito micrômetros de espessura – aproximadamente a espessura de uma fibra de algodão – e menos de um milímetro de largura. A leveza dos feixes permite que as forças magnéticas os deformem com facilidade e rapidez.

Para gerar forças locais, a superfície é colocada em um campo magnético estático de baixo nível. As mudanças de tensão criam uma corrente elétrica complexa, mas facilmente previsível ao longo da grade dourada, levando ao deslocamento fora do plano da grade.

“Esta é a primeira superfície macia artificial que é rápida o suficiente para imitar com precisão um processo contínuo de mudança de forma na natureza”, disse Ni. “Um avanço importante é o design estrutural que permite uma relação linear incomum entre as entradas elétricas e a forma resultante, o que facilita a descoberta de como aplicar voltagens para atingir uma ampla variedade de formas de destino”.

A nova "metasuperfície" mostra uma grande variedade de habilidades de morphing e imitação. Ele cria protuberâncias que se elevam e se movem pela superfície como um gato tentando encontrar o caminho para sair de debaixo de um cobertor, padrões de ondas oscilantes e uma réplica convincente de uma gota de líquido pingando e caindo em uma superfície sólida. E produz essas formas e comportamentos em qualquer velocidade ou aceleração desejada, o que significa que pode reimaginar aquele gato preso ou gota pingada em câmera lenta ou em avanço rápido.

Com câmeras monitorando a superfície de transformação, a superfície contorcionista também pode aprender a recriar formas e padrões por conta própria. Ao ajustar lentamente as voltagens aplicadas, um algoritmo de aprendizado recebe o feedback da imagem 3D e descobre quais efeitos as diferentes entradas têm na forma da metasuperfície.

No papel, uma palma humana manchada com 16 pontos pretos se move lentamente sob uma câmera, e a superfície espelha os movimentos perfeitamente.

“O controle não precisa saber nada sobre a física dos materiais, apenas dá pequenos passos e observa para ver se está se aproximando do alvo ou não”, disse Ni. “Atualmente, leva cerca de dois minutos para alcançar uma nova forma, mas esperamos melhorar o sistema de feedback e o algoritmo de aprendizado a ponto de ser quase em tempo real”.

Como a superfície aprende a se mover por tentativa e erro, ela também pode se adaptar a danos, restrições físicas inesperadas ou mudanças ambientais. Em um experimento, ele aprende rapidamente a imitar um monte saliente, apesar de uma de suas vigas ser cortada. Em outro, ele consegue imitar uma forma semelhante, apesar de um peso estar preso a um dos nós da grade.

Existem muitas oportunidades imediatas para estender a escala e a configuração da superfície macia. Por exemplo, uma matriz de superfícies pode dimensionar o tamanho até o de uma tela sensível ao toque. Ou técnicas de fabricação com maior precisão podem reduzir o tamanho para um milímetro, tornando-o mais adequado para aplicações biomédicas.

Avançando, Ni quer criar metasuperfícies robóticas com funções integradas de detecção de forma para realizar a imitação em tempo real de superfícies complexas e dinâmicas na natureza, como as ondulações da água, barbatanas de peixes ou o rosto humano. O laboratório também pode procurar incorporar mais componentes no protótipo, como fontes de energia a bordo, sensores, recursos computacionais ou recursos de comunicação sem fio.

“Juntamente com a busca de criar materiais programáveis ​​e robóticos, prevemos que materiais futuros poderão se alterar para servir funções de forma dinâmica e interativa”, disse Ni. "Tais materiais podem sentir e perceber os requisitos ou informações dos usuários, e se transformar e se adaptar de acordo com as necessidades em tempo real de seu desempenho específico, assim como os microbots em Big Hero 6. A superfície macia pode encontrar aplicações como um robô teleoperado, exibição 3D dinâmica, camuflagem, exoesqueleto ou outras superfícies inteligentes e funcionais que podem funcionar em ambientes hostis e imprevisíveis." + Explorar mais

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