Vedci z Pensylvánskej univerzity prišli s netradičným typom miniatúrnych robotov, ktoré sú vytvorené výhradne zo zauzlených vlákien a fungujú na princípe uvoľňovania nahromadenej mechanickej energie. Na prvý pohľad ide o jednoduché štruktúry pripomínajúce bežné uzly, v skutočnosti však ide o premyslene navrhnuté systémy, ktoré dokážu po zahriatí vykonať prudký skok do výšky takmer dvoch metrov, a to bez akéhokoľvek motora, batérie či elektronických súčiastok.
Základom tohto objavu je pozorovanie bežného fyzikálneho javu, ktorý sa odohráva pri rozväzovaní uzlov. Napätie nahromadené v skrútenom vlákne sa pri uvoľnení neuvoľňuje postupne, ale náhle a prudko, pričom sa mení na kinetickú energiu.
Extrémne rýchly pohyb
Práve tento moment vedci využili ako základ pre nový typ pohybu, keď namiesto snahy uzol stabilizovať vytvorili štruktúru, ktorá je navrhnutá tak, aby sa v presne definovanom okamihu sama rozviazala a spustila energetickú reakciu, píše portál vosveteit.sk.
Celý mechanizmus funguje ako miniatúrna pružina so zabudovanou západkou, ktorou je samotný uzol. Kým uzol drží, energia zostáva uzavretá vo vnútri skrúteného vlákna. V momente, keď sa materiál zahreje na približne 60 až 90 stupňov Celzia, dochádza k zmene vlastností špeciálneho plášťa okolo jadra, ktorý sa začne sťahovať a meniť svoj tvar.
Zdroj: X/Penn Engineering
Tento proces naruší stabilitu uzla a spustí reťazovú reakciu, pri ktorej sa nahromadená energia uvoľní naraz. Výsledkom je extrémne rýchly pohyb, pri ktorom sa drobný objekt dlhý len niekoľko milimetrov dokáže vystreliť do výšky niekoľkých metrov.
V prepočte na veľkosť ide o výkon, ktorý výrazne presahuje schopnosti mnohých prírodných systémov, a pohyb pôsobí takmer výbušne, aj keď prebieha čisto mechanicky bez akéhokoľvek elektrického zdroja.
Kombinácia dvoch odlišných materiálov
Kľúčovú úlohu v celej konštrukcii zohráva kombinácia dvoch odlišných materiálov. Vnútorné jadro tvorí kevlar, ktorý zabezpečuje vysokú pevnosť a umožňuje efektívne ukladanie energie. Okolo neho sa nachádza vrstva tekutokryštalického elastoméru, ktorý reaguje na zmeny teploty a spúšťa samotný pohyb. Táto kombinácia umožňuje vytvoriť systém, v ktorom sa pevnosť a pružnosť dopĺňajú a spoločne generujú mimoriadne dynamickú reakciu.
Správanie robotov sa mení podľa typu použitého uzla, čo vedci využili ako spôsob programovania pohybu bez elektroniky. Jednoduché uzly spôsobujú priamy výskok, zložitejšie tvary môžu vyvolať rotáciu, premet alebo sériu pohybov vo vzduchu, ktoré pripomínajú koordinovaný pohyb.
V niektorých prípadoch sa pridávajú aj malé krídla, ktoré menia aerodynamiku a umožňujú riadený let podobný pohybu semien javoru, ktoré sa pri páde otáčajú a šíria ďalej od stromu.
Užitočné pre zalesňovanie, poľnohospodárstvo
Práve táto schopnosť otvára cestu k praktickému využitiu v poľnohospodárstve a ekologických projektoch. Vedci predpokladajú, že podobné systémy by mohli byť použité na vysievanie semien v ťažko dostupných alebo suchých oblastiach, kde je bežná technika neefektívna. Na rozdiel od predchádzajúcich riešení, ktoré boli závislé od dažďa, nový systém reaguje na teplo, ktoré je v prírode oveľa stabilnejším zdrojom energie.
Pri experimentoch sa ukázalo, že takto vystrelené jednotky dokážu po dopade preniknúť do pôdy s výrazne vyššou silou než tradičné metódy, čo zvyšuje šancu na úspešné klíčenie semien. V testoch sa osvedčili napríklad semená borovice a rukoly, ktoré po aktivácii a dopade začali prirodzene rásť.
Zaujímavým zistením je aj to, že pridanie kevlarového jadra výrazne zvýšilo výkon celého systému. Zvýšená tuhosť umožnila akumulovať väčšie množstvo energie, vďaka čomu sa výška skoku takmer zdvojnásobila. Výskumníci prirovnávajú tento výkon k extrémne rýchlym pohybom drobných pôdnych organizmov, ktoré patria medzi najvýkonnejších skokanov v prírode vzhľadom na svoju veľkosť.
Hoci ide zatiaľ len o experimentálnu technológiu, vedci ju považujú za základ pre budúce generácie mäkkých robotov, ktoré by mohli fungovať bez batérií, čipov a externého napájania. Výzvou zostáva najmä optimalizácia aktivačnej teploty a prispôsobenie materiálov tak, aby boli ekologicky udržateľné a použiteľné v rôznych klimatických podmienkach.
