Bērnībā Lego ļāva iztēlē veidot ēkas, ierīces un robotus, savukārt Transformers rotaļlietas šo ideju papildināja ar transportlīdzekļiem, kas pārtapa robotos un atkal atgriezās sākotnējā formā. Tomēr neviens no šiem rotaļlietām nespēja darboties kā īsta ēka, ierīce vai robots. MIT pētnieku izstrādātie “bifur-circuit” moduļi šo robežu mēģina pārvarēt, apvienojot maināmu mehānisku formu ar elektronisku funkcionalitāti.

Moduļus var savienot un pārveidot daudzās dažādās konfigurācijās, nepārtraucot elektriskos savienojumus, kas nodrošina to programmējamās mehāniskās funkcijas. Formas maiņa ļauj vienai konstrukcijai pielāgoties atšķirīgiem apstākļiem: tā var kļūt kompaktāka uzglabāšanai, iegūt ērtāku ģeometriju vai izveidot satvērienu, kas ir pietiekami stingrs, lai noturētu objektu, bet to nesaspiestu.

Maināma forma dažādiem lietojumiem

Šāds princips varētu būt noderīgs arī katastrofu seku novēršanā un pat ārpuszemes apdzīvojamo vietu izveidē. Tā kā vairāki moduļi var pārveidoties kopīgi, dizaineri var ātri uzlabot prototipu un pāriet no vienas versijas uz nākamo. Pētnieki jau izveidojuši krēslus, ko iespējams pārveidot par galdiem un pēc tam ērti salocīt glabāšanai. Šādas mēbeles spēj noteikt savu konfigurāciju un parādīt lietotājam atbilstošu informāciju ekrānos.

Tehnoloģija nav paredzēta tikai viedām mēbelēm. Tā varētu palīdzēt cilvēkiem pēc operācijām vai negadījumiem mainīt ķermeņa stāvokli rehabilitācijas laikā. Daļu mēbeles iespējams pārveidot arī par robotizētu mīksto satvērēju. Vēl viens iespējamais izmantojums ir dinamiski patvērumi katastrofu vietās, kur konstrukcijām būtu jāpielāgojas mainīgiem apstākļiem.

MIT komanda jau izveidojusi arī pārveidojamu spēļu kontrolieri. Atkarībā no tā, kā lietotājs to izveidojis, kontrolieris var palaist vienu no vairākām videospēlēm.

Metamateriāli ar iebūvētu “inteliģenci”

Pētījumā, kas publicēts izdevumā Human Computer Interaction Engineering, vadošā autore Marwa AlAlawi un pētnieki no MIT, Mičiganas Universitātes un Tokijas Universitātes skaidro, ka moduļi arī pēc vairākkārtējas pārkonfigurēšanas saglabā elektrisko savienojumu bez ārējiem vadiem.

Šie programmējamie mehāniskie metamateriāli veidoti no vienkāršām bāzes vienībām, kuras iespējams kombinēt gandrīz neierobežotā skaitā. Tos dēvē par auksētiskiem materiāliem, jo stiepšanas laikā tie nevis kļūst plānāki, bet paplašinās.

“[Mehāniskie] metamateriāli var padarīt sarežģītas mehāniskas konstrukcijas viegli izgatavojamas, izmantojot atkārtojošās vienības. Mūsu darbs ir viens no veidiem, kā izmantot to ģeometriju, lai aparatūrā iestrādātu raksturīgu inteliģenci, kas varētu pavērt daudzas iespējas,” sacīja AlAlawi, MIT maģistrantūras studente mehāniskajā inženierijā.

Iepriekš AlAlawi un viņas kolēģi no auksētiskiem metamateriāliem bija izveidojuši pārveidojamas antenas. To trīs iespējamās formas varēja mainīt darbības frekvenču diapazonu bez sarežģītiem kustīgiem mehānismiem. Tomēr trīs formas pētniekiem šķita pārāk ierobežotas, tādēļ viņi izstrādāja “bifur-circuits”, kas nodrošina daudz plašāku savienojumu, rotāciju, vērpes un saspiešanas kombināciju klāstu.

Katra formas maiņa rada unikālu elektrisko ķēdi. Tas ļauj atsevišķiem moduļiem sazināties ar pārējiem un noteikt kopējo konstrukcijas formu. Tā kā “bifur-circuits” sastāv no savienotiem moduļiem, nevis vienas nepārtrauktas un stingras struktūras, katra vienība var saglabāt elektrisko kontaktu. Moduļiem rotējot vai pagriežoties, konstrukcija liecoties izvairās no pēkšņas salūšanas vai pārlūšanas.

AlAlawi norādīja, ka šāda “bifurkācija” ļauj būtiski paplašināt iespējamo pārkonfigurāciju telpu: pat viena papildu moduļa pievienošana rada daudz vairāk kombināciju, izmantojot to pašu pamatstruktūru.

10 000 saspiešanas ciklu bez savienojuma zuduma

Viens no galvenajiem izaicinājumiem bija atrast materiālu, kas būtu pietiekami elastīgs atkārtotai locīšanai un vienlaikus labi vadītu elektrību. Pētnieki izmantoja Filaflex 92A. AlAlawi sacīja, ka vadošais materiāls bija ierobežojums, ar kuru nācās rēķināties visā izstrādes procesā, un tas noteica, kā notiks savienojumu uztveršana starp blokiem.

Pārbaudēs MIT izstrādātā konstrukcija izturēja 10 000 saspiešanas ciklu, nezaudējot elektrisko savienojumu. Komanda izveidojusi arī lietošanā vienkāršu konstruēšanas un simulācijas programmatūru, kas darbojas ar multimateriālu 3D printeriem. Tādēļ dizaineri jaunus “bifur-circuit” moduļus var izgatavot vienā drukāšanas reizē.

“Bifur-circuits” ir tikai viens solis ceļā uz mehāniskiem būvelementiem ar integrētu inteliģenci, uzskata AlAlawi. Nākotnē viņa vēlētos izveidot blokus, no kuriem varētu uzbūvēt jebkuras formas konstrukciju, kas būtu vienlaikus strukturāli stabila un darbināma. Šādas struktūras varētu piedāvāt vairāk interaktivitātes un plašāku metamateriālu konfigurāciju klāstu.

AlAlawi pētījuma līdzautori ir MIT Elektronikas inženierijas un datorzinātnes (EECS) maģistrantūras studente Ticha Sethapakdi, kā arī MIT asociētā profesore EECS un mehāniskās inženierijas jomā Stefanie Mueller. Viņa vada Cilvēka un datora mijiedarbības grupu Datorzinātnes un mākslīgā intelekta laboratorijā (CSAIL).