Mikrobot-Spielzeuge demonstrieren, wie sich biologische Maschinen bewegen

Durch die Verbindung kleiner selbstfahrender Spielzeuge in einer Kette haben Forscher des UvA Institute of Physics den Schlüssel zur Untersuchung der Bewegung mikroskopisch kleiner Organismen und molekularer Motoren in unseren Zellen gefunden.

Hexbug Nano v2 Mikrobots verwenden Vibrationen, um sich vorwärts zu bewegen. Durch die Verbindung mehrerer dieser Spielzeuge mit einer elastischen Silikonkautschukkette entsteht eine „elastoaktive“ Struktur. Das bedeutet, dass es nach einer Verformung wieder in seine ursprüngliche Form zurückkehrt, während die selbstfahrenden, aktiven Bestandteile, aus denen es besteht, ständig versuchen, die Struktur in eine bestimmte Richtung zu schieben.

Je nach Größe der Kettenglieder und ob die Ketten ein- oder beidseitig befestigt waren, zeigten die elastoaktiven Ketten unterschiedliche Bewegungsarten, darunter selbstoszillierend, selbstsynchronisierend und selbstschnappend.

„Durch das Experimentieren mit diesen elastoaktiven Ketten entdeckten wir, dass es ein Wechselspiel zwischen Aktivität und Elastizität gibt: Wenn die Aktivität dominiert, schwingen und synchronisieren sich die Ketten selbst“, sagt Corentin Coulais, Leiter des Machine Materials Laboratory an der Universität Amsterdam.

Er fährt fort: „Mechanische Selbstoszillation und Synchronisation sind ein Schlüsselmerkmal biologischer Maschinen, Merkmale, die nützlich sind, um neue Arten von autonomen Robotern herzustellen. Diese aktiven Ketten ermöglichen es uns wirklich, die Natur dieser nichtlinearen Phänomene herauszuarbeiten.“

Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht Briefe zur körperlichen Überprüfung.

Selbstoszillation, Selbstsynchronisation und Selbsteinrastung

Wenn eine Struktur selbst schwingt, bedeutet dies, dass sie sich selbst hin und her biegt. In den Ketten könnten die Mikrobots damit beginnen, die Kette nach links zu biegen. Da die Kette jedoch an einem Ende festgesteckt ist, widerstehen die elastischen Glieder dieser Bewegung und richten die Bots so neu aus, dass sie beginnen, die Kette nach rechts zu schieben und zu biegen. Dieser Bewegung wird wieder durch die elastische Kette Widerstand geleistet, bis die Bots wieder nach links gehen.

Die Synchronisation erfolgt, wenn zwei elastoaktive Ketten an einem Ende durch einen ausreichend steifen Stab verbunden sind. Durch das Hin- und Herbewegen beginnen die beiden verbundenen Ketten automatisch mit der gleichen Frequenz zu schwingen, wie Seegräser, die von denselben Wellen bewegt werden.

Wenn man schließlich eine einzelne elastoaktive Kette nimmt und beide Enden feststeckt, zeigt sie ein „selbstschnappendes“ Verhalten. Wenn Sie eine Spielkarte mit Ihren Fingern biegen, können Sie sie in die andere Richtung „schnappen“ lassen, indem Sie fest genug von der Seite drücken. Die elastoaktiven Ketten tun dies von selbst, indem sie immer wieder von einer Biegung nach links in eine Biegung nach rechts schnappen.

Lehrreiches Spiel

„Wir begannen diese Forschung, indem wir einfach mit den Mikrobot-Spielzeugen herumspielten. Aber allgemeiner bestand die Idee darin, Materialien außerhalb des Gleichgewichts zu erforschen. Aktive Flüssigkeiten in weicher Materie wurden in den letzten 25 Jahren ausgiebig untersucht, aber ihre festen Gegenstücke wurden untersucht viel weniger“, sagt Coulais.

Als nächstes steht die Erforschung des elastoaktiven Verhaltens auf kleineren Skalen auf dem Programm, beispielsweise in sogenannten kolloidalen Systemen, die aus kleinen Partikeln bestehen, die in einer Flüssigkeit suspendiert sind. Obwohl es sich immer noch um Modellsysteme handelt, sind sie aufgrund ähnlicher Längenskalen und des Vorhandenseins der Flüssigkeit näher am biologischen System. In jedem Maßstab wäre es auch interessant, intelligentes Design zu verwenden, um mehrere Selbstoszillationen in eine einzige Struktur einzubetten, um komplexere Bewegungsmuster zu erhalten. Mit einem besseren Verständnis der Eigenschwingungen hofft man, dass es möglich wird, neue Arten von autonomen Robotern zu schaffen.