Materiali riprogrammabili selettivamente auto

Aug 06, 2023

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Anche se oggi la produzione automatizzata è onnipresente, un tempo era un campo nascente nato da inventori come Oliver Evans, a cui è attribuita la creazione del primo processo industriale completamente automatizzato, in un mulino da farina da lui costruito e gradualmente automatizzato alla fine del 1700. I processi per la creazione di strutture o macchine automatizzate sono ancora molto top-down e richiedono che l’assemblaggio e la realizzazione siano eseguiti da esseri umani, fabbriche o robot.

Tuttavia, il modo in cui la natura effettua l’assemblaggio avviene ovunque dal basso verso l’alto; gli animali e le piante si autoassemblano a livello cellulare, facendo affidamento sulle proteine ​​per auto-ripiegarsi in geometrie bersaglio che codificano tutte le diverse funzioni che ci permettono di andare avanti. Per un approccio all’assemblaggio più bio-ispirato e dal basso verso l’alto, quindi, i materiali progettati dall’uomo devono fare meglio da soli. Renderli scalabili, selettivi e riprogrammabili in un modo che possa imitare la versatilità della natura comporta però alcuni problemi iniziali.

Ora, i ricercatori del Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL) del MIT hanno tentato di superare questi crescenti problemi con un nuovo metodo: introducendo materiali magneticamente riprogrammabili con cui rivestire parti diverse, come cubi robotici, per consentire loro di autoassemblarsi. La chiave del loro processo è un modo per rendere questi programmi magnetici altamente selettivi riguardo a ciò con cui si connettono, consentendo un robusto autoassemblaggio in forme specifiche e configurazioni scelte.

Il morbido rivestimento in materiale magnetico utilizzato dai ricercatori, ricavato da magneti da frigorifero economici, conferisce a ciascuno dei cubi che hanno costruito una firma magnetica su ciascuna delle sue facce. Le firme assicurano che ciascuna faccia sia selettivamente attraente solo per un'altra faccia di tutti gli altri cubi, sia nella traslazione che nella rotazione. Tutti i cubi, che costano circa 23 centesimi, possono essere programmati magneticamente con una risoluzione molto precisa. Una volta gettati in un serbatoio d'acqua (hanno usato otto cubi per una demo), con un disturbo del tutto casuale (potresti anche semplicemente scuoterli in una scatola) si scontrano l'uno con l'altro. Se incontrano il compagno sbagliato, si abbandoneranno, ma se trovano il compagno adatto, si uniranno.

Un’analogia potrebbe essere quella di pensare a un insieme di parti di mobili da assemblare per formare una sedia. Tradizionalmente, avresti bisogno di una serie di istruzioni per assemblare manualmente le parti in una sedia (un approccio dall'alto verso il basso), ma utilizzando il metodo dei ricercatori, queste stesse parti, una volta programmate magneticamente, si auto-assemblano nella sedia usando solo un disturbo casuale che li fa scontrare. Senza le firme che generano, tuttavia, la sedia verrebbe assemblata con le gambe nei posti sbagliati.

"Questo lavoro è un passo avanti in termini di risoluzione, costo ed efficacia con cui possiamo autoassemblare particolari strutture", afferma Martin Nisser, uno studente di dottorato presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica (EECS) del MIT, un affiliato di CSAIL e autore principale di un nuovo articolo sul sistema. "Il lavoro precedente sull'autoassemblaggio ha tipicamente richiesto che le singole parti fossero geometricamente dissimili, proprio come i pezzi di un puzzle, che richiede la fabbricazione individuale di tutte le parti. Utilizzando programmi magnetici, tuttavia, possiamo produrre in massa parti omogenee e programmarle per acquisire specifiche strutture target e, soprattutto, riprogrammarle per acquisire nuove forme in seguito senza dover rifabbricare nuovamente le parti."

Usando la macchina da disegno magnetica del team, è possibile inserire un cubo nel plotter e riprogrammarlo. Ogni volta che il plotter tocca il materiale, crea un pixel magnetico orientato "nord" o "sud" sul rivestimento magnetico morbido del cubo, consentendo ai cubi di essere riutilizzati per assemblare nuove forme target quando necessario. Prima di tracciare, un algoritmo di ricerca controlla la compatibilità di ciascuna firma con tutte le firme precedentemente programmate per garantire che siano sufficientemente selettive per un autoassemblaggio riuscito.