Физики создали управляемую жидкометаллическую материю
Кадр из фильма "Терминатор-2: Судный день" / Columbia / TriStar
Заголовки научно-популярных новостей обещают скорое пришествие Терминатора. Это не весеннее обострение журналистов и не анонс новой серии легендарной саги. Речь идет о разработке китайских ученых, которые создали самодвижущийся мотор из жидкого металла. «Чердак» выяснил, что еще умеют разумные «капли», и узнал, когда из них построят робота.
Исследователи из университета Цинхуа в Пекине работали с каплями из сплава, содержащего галлий, и обнаружили, что в растворе они ведут себя совершенно как «разумные» существа (или вещества). Как и Терминатор модели Т-1000, они меняют форму, чтобы обойти препятствия, говорят авторы в своем исследовании, опубликованном в журнале Advanced Materials.
Каждая жидкометаллическая капелька может вести себя как мотор, двигаясь автономно более часа. А если ее закрепить в узком канале, капля превращается в насос, перегоняющий жидкость. К сожалению или к счастью, разработка ученых пока не способна действовать осознанно, но и у неразумного «Терминатора» есть интересные приложения.
Жидкий мотор
Самоходный мотор китайские ученые получили случайно. Они изучали сплав галлия с индием и оловом — при температуре выше 30 градусов по Цельсию это металлическое соединение превращается в жидкость. Если поместить каплю сплава в чашку Петри с раствором едкой щелочи и прибавить алюминиевой стружки, то металл начинает «бегать» по узким канальцам, удлиняясь, чтобы протиснуться через узкий проход, и ловко обходя углы. Такое автономное движение продолжается около часа.
Каплю заставляют двигаться сразу несколько факторов. Во-первых, разница в давлении между ее концами, возникающая из-за дисбаланса электрического заряда на поверхности. Во-вторых, алюминиевая стружка, которая вступает в реакцию с едкой щелочью, и образующиеся водородные пузырьки начинают подталкивать каплю. Если каплю закрепить в узком канале, то мотор превращается в насос, который может перегонять до 50 миллилитров жидкости в секунду. Это первый в мире автономный насос, утверждает автор работы Цзин Лю (Jing Liu).
Похожий микронасос из одной капли жидкого металла галинстана (сплава галлия, индия и олова) разработали австралийские ученые из Мельбурнского королевского технологического университета, но их устройство прокачивает жидкость при включении разности напряжений.
Живые шары
Жидкометаллические капли можно превратить в послушные гибкие машины, «дирижировать» группой из отдельных капель и менять их скорость. Об этих опытах Лю рассказывает в статьях, опубликованных в Scientific Reports, Advanced Materials и в пока не принятых к печати работах.
В воде тонкий лист из сплава галлия, индия и селена превращается в сферу и начинает вращаться под воздействием электрического тока. Меняя напряжение, форму, размер, количество и ориентацию электродов в пространстве, ученые научились гонять такие сферы по воде, объединять в более крупные шары, создавать структуры, похожие на дождевых червей и другие объемные фигуры. Кажется, еще чуть-чуть, и из металлической лужицы вырастет фигура Роберта Патрика, пугающего Т-1000, которого невозможно разрушить.
Ученые из Университета штата Северной Каролины в Роли под руководством Майкла Дики (Michael Dickey) также изучают свойства жидкометаллических капель и даже создают из них крошечные антенны. При подаче небольшого напряжения тонкая оксидная пленка, которая помогает капле «держать» форму, утолщается, а поверхностное натяжение резко уменьшается. Свою роль начинает играть гравитация, и капля превращается в плоский блин. Этот процесс обратим: капля возвращается в прежнее состояние при смене напряжения. Ученые заставили капли течь по тонким каналам и собираться в разные объемные фигуры.
Самоорганизующаяся материя
На разработку роботов из автономных частиц или нанороботов, способных самоорганизовываться, чтобы создавать разные формы, в том числе и очень сложные, и ремонтировать себя, в мире выделяют огромные средства. Например, в США гигантские бюджеты на исследования в этих областях выделяют NASA, Национальный научный фонд (NSF) и Агентство по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам (DARPA). Вот что уже удалось получить из самоорганизующейся материи.
Термиты и килоботы
В Гарвардском университете создают крошечных роботов, которые могут «общаться» друг с другом и действовать как единое целое. На проекты TERMES и KILOBOT ученых вдохновило поведение термитов и муравьев, объясняет Радхика Нагпал (Radhika Nagpal), ведущий специалист проектов, которую журнал Nature назвал одной из лучших исследователей 2014 года. Оснащенные двигателями и источником питания, похожие на таблетки роботы на трех ножках могут коммуницировать со своими соседями бесконтактно, с помощью инфракрасного света. Подавая команды с контрольной станции, ученые заставили около тысячи таких крошек собраться вместе и действовать сообща, выстраиваясь в разные фигуры.
Разработка алгоритмов для превращения таких «термитов» в систему распределенного искусственного интеллекта позволит использовать их для расчистки нефтяных пятен или для организации дорожного движения без участия человека, считают исследователи.
Детские кубики из роботов – M-block
Разноцветные роботы M-blocks, придуманные в Массачусетском технологическом институте (MIT), умеют передвигаться, подпрыгивать, взбираясь на другие кубики. Секрет их передвижения — в электродвигателе с маховиком, который при резкой остановке передает кубику кинетический момент. Склеиваться друг с другом помогают магниты на гранях и ребрах. Чтобы получить роботов, способных собираться самостоятельно, инженеры уменьшают размеры кубиков, ищут миниатюрные источники питания и датчики. В будущем при помощи «кубиков» специалисты планируют собирать сведения на зараженной территории или восстанавливать мосты и другие сооружения в чрезвычайных ситуациях.
Самовосстанавливающийся полимер
Материалы, способные чинить себя под воздействием внешних факторов, существуют давно: например, полимерные связи можно восстанавливать нагреванием или в особой химической среде. Испанские ученые из Центра электрохимических технологий CIDETEC под руководством Ибона Одриозолы (Ibon Odriozola) изобрели недорогой пластик, которому для самовосстановления вообще не нужен катализатор. Если его разрезать на части, они за два часа срастутся на 97 процентов. Самоизлечение наступает благодаря реакции обмена, которую запускают ароматические соединения на основе серы в материале.
Гусеницы из геля
Гелеобразных гусениц создали японские ученые из университета Васеда под руководством Синго Маэда (Shingo Maeda). Движение гусениц — сокращение и вытягивания полимера — запускают колебания химической реакции Белоусова—Жаботинского: в ходе подобных реакций некоторые их параметры периодически изменяются. Самоорганизующиеся гусеницы могли бы контролировать движения узлов машин, в которых невозможно использовать провода.
Зачем все это нужно
Создать из сплавов галлия больших роботов прямо сейчас не получится по нескольким причинам. Например, жидкие металлы надо помещать в растворы, так как образующаяся на воздухе оксидная пленка довольно прочна и не исчезает до конца при снятии напряжения. Исследователи пока научились управлять формой только небольших капель — в более крупных объектах гравитация подавляет контролируемое влияние сил поверхностного натяжения.
Разработанные технологии уже находят применение в разных сферах и будут использованы в будущем. В первую очередь, в микрофлюидике — для создания микромоторов и насосов, в системах с зацикленным движением материалов, где нужны охлаждающие устройства без внешнего источника питания: как для интегральных схем гаджетов, так и для двигателей. В оптике технологии применимы для улучшения качества зеркал и телескопов: с помощью жидкометаллических систем можно отрегулировать фокусное расстояние и компенсировать атмосферные искажения.
Перестраиваемые гибкие антенны из жидкого металла Майкла Дики, складывающиеся в небольшой пакет, важны не только для военных. Они могут служить датчиками, например, при обслуживании мостов: определенные колебания их частоты указывают на сильное воздействие.
Жидкометаллический мотор-насос китайских ученых можно использовать для доставки материалов по трубам или лекарств по кровеносным сосудам и проведения биомедицинских исследований. Исследователи успешно срастили in vitro разрезанные седалищные нервы, взятые у лягушки с помощью сплава галлия. Такое соединение, считают исследователи, поможет поддерживать мышцы в тонусе до полного восстановления нервных окончаний, затем металл можно удалить из организма.
Когда ждать Терминатора?
Оставим в стороне все страшилки, пророчащие гибель человечеству от искусственного интеллекта, который выйдет из-под контроля. Уже сегодня беспилотники доставляют товары, кроны развозят пиццу, роботы работают в армии, в космосе и в сельском хозяйстве. Главный робототехник «Сколково» Альберт Ефимов на последней конференции Skolkovo Robotics - 2015рассказал и о развитии российских проектов Фонда.
Но пришествие в ближайшем будущем жидкометаллического робота Т-1000 версии Кэмерона, созданного «Скайнет», ученые-материаловеды и робототехники считают маловероятным — прогресс в области искусственного интеллекта пока не впечатляет. Однако новейшая самоорганизующаяся материя, без сомнений, будет присутствовать в нашем будущем — в виде умной инфраструктуры (саморемонтирующихся мостов и линий электропередач) или поисковых и спасательных роботов, меняющих форму для преодоления препятствий.
Ольга Баклицкая
Каждая жидкометаллическая капелька может вести себя как мотор, двигаясь автономно более часа. А если ее закрепить в узком канале, капля превращается в насос, перегоняющий жидкость. К сожалению или к счастью, разработка ученых пока не способна действовать осознанно, но и у неразумного «Терминатора» есть интересные приложения.
Жидкий мотор
Самоходный мотор китайские ученые получили случайно. Они изучали сплав галлия с индием и оловом — при температуре выше 30 градусов по Цельсию это металлическое соединение превращается в жидкость. Если поместить каплю сплава в чашку Петри с раствором едкой щелочи и прибавить алюминиевой стружки, то металл начинает «бегать» по узким канальцам, удлиняясь, чтобы протиснуться через узкий проход, и ловко обходя углы. Такое автономное движение продолжается около часа.
Каплю заставляют двигаться сразу несколько факторов. Во-первых, разница в давлении между ее концами, возникающая из-за дисбаланса электрического заряда на поверхности. Во-вторых, алюминиевая стружка, которая вступает в реакцию с едкой щелочью, и образующиеся водородные пузырьки начинают подталкивать каплю. Если каплю закрепить в узком канале, то мотор превращается в насос, который может перегонять до 50 миллилитров жидкости в секунду. Это первый в мире автономный насос, утверждает автор работы Цзин Лю (Jing Liu).
Похожий микронасос из одной капли жидкого металла галинстана (сплава галлия, индия и олова) разработали австралийские ученые из Мельбурнского королевского технологического университета, но их устройство прокачивает жидкость при включении разности напряжений.
Живые шары
Жидкометаллические капли можно превратить в послушные гибкие машины, «дирижировать» группой из отдельных капель и менять их скорость. Об этих опытах Лю рассказывает в статьях, опубликованных в Scientific Reports, Advanced Materials и в пока не принятых к печати работах.
В воде тонкий лист из сплава галлия, индия и селена превращается в сферу и начинает вращаться под воздействием электрического тока. Меняя напряжение, форму, размер, количество и ориентацию электродов в пространстве, ученые научились гонять такие сферы по воде, объединять в более крупные шары, создавать структуры, похожие на дождевых червей и другие объемные фигуры. Кажется, еще чуть-чуть, и из металлической лужицы вырастет фигура Роберта Патрика, пугающего Т-1000, которого невозможно разрушить.
Ученые из Университета штата Северной Каролины в Роли под руководством Майкла Дики (Michael Dickey) также изучают свойства жидкометаллических капель и даже создают из них крошечные антенны. При подаче небольшого напряжения тонкая оксидная пленка, которая помогает капле «держать» форму, утолщается, а поверхностное натяжение резко уменьшается. Свою роль начинает играть гравитация, и капля превращается в плоский блин. Этот процесс обратим: капля возвращается в прежнее состояние при смене напряжения. Ученые заставили капли течь по тонким каналам и собираться в разные объемные фигуры.
Самоорганизующаяся материя
На разработку роботов из автономных частиц или нанороботов, способных самоорганизовываться, чтобы создавать разные формы, в том числе и очень сложные, и ремонтировать себя, в мире выделяют огромные средства. Например, в США гигантские бюджеты на исследования в этих областях выделяют NASA, Национальный научный фонд (NSF) и Агентство по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам (DARPA). Вот что уже удалось получить из самоорганизующейся материи.
Термиты и килоботы
В Гарвардском университете создают крошечных роботов, которые могут «общаться» друг с другом и действовать как единое целое. На проекты TERMES и KILOBOT ученых вдохновило поведение термитов и муравьев, объясняет Радхика Нагпал (Radhika Nagpal), ведущий специалист проектов, которую журнал Nature назвал одной из лучших исследователей 2014 года. Оснащенные двигателями и источником питания, похожие на таблетки роботы на трех ножках могут коммуницировать со своими соседями бесконтактно, с помощью инфракрасного света. Подавая команды с контрольной станции, ученые заставили около тысячи таких крошек собраться вместе и действовать сообща, выстраиваясь в разные фигуры.
Разработка алгоритмов для превращения таких «термитов» в систему распределенного искусственного интеллекта позволит использовать их для расчистки нефтяных пятен или для организации дорожного движения без участия человека, считают исследователи.
Детские кубики из роботов – M-block
Разноцветные роботы M-blocks, придуманные в Массачусетском технологическом институте (MIT), умеют передвигаться, подпрыгивать, взбираясь на другие кубики. Секрет их передвижения — в электродвигателе с маховиком, который при резкой остановке передает кубику кинетический момент. Склеиваться друг с другом помогают магниты на гранях и ребрах. Чтобы получить роботов, способных собираться самостоятельно, инженеры уменьшают размеры кубиков, ищут миниатюрные источники питания и датчики. В будущем при помощи «кубиков» специалисты планируют собирать сведения на зараженной территории или восстанавливать мосты и другие сооружения в чрезвычайных ситуациях.
Самовосстанавливающийся полимер
Материалы, способные чинить себя под воздействием внешних факторов, существуют давно: например, полимерные связи можно восстанавливать нагреванием или в особой химической среде. Испанские ученые из Центра электрохимических технологий CIDETEC под руководством Ибона Одриозолы (Ibon Odriozola) изобрели недорогой пластик, которому для самовосстановления вообще не нужен катализатор. Если его разрезать на части, они за два часа срастутся на 97 процентов. Самоизлечение наступает благодаря реакции обмена, которую запускают ароматические соединения на основе серы в материале.
Гусеницы из геля
Гелеобразных гусениц создали японские ученые из университета Васеда под руководством Синго Маэда (Shingo Maeda). Движение гусениц — сокращение и вытягивания полимера — запускают колебания химической реакции Белоусова—Жаботинского: в ходе подобных реакций некоторые их параметры периодически изменяются. Самоорганизующиеся гусеницы могли бы контролировать движения узлов машин, в которых невозможно использовать провода.
Зачем все это нужно
Создать из сплавов галлия больших роботов прямо сейчас не получится по нескольким причинам. Например, жидкие металлы надо помещать в растворы, так как образующаяся на воздухе оксидная пленка довольно прочна и не исчезает до конца при снятии напряжения. Исследователи пока научились управлять формой только небольших капель — в более крупных объектах гравитация подавляет контролируемое влияние сил поверхностного натяжения.
Разработанные технологии уже находят применение в разных сферах и будут использованы в будущем. В первую очередь, в микрофлюидике — для создания микромоторов и насосов, в системах с зацикленным движением материалов, где нужны охлаждающие устройства без внешнего источника питания: как для интегральных схем гаджетов, так и для двигателей. В оптике технологии применимы для улучшения качества зеркал и телескопов: с помощью жидкометаллических систем можно отрегулировать фокусное расстояние и компенсировать атмосферные искажения.
Перестраиваемые гибкие антенны из жидкого металла Майкла Дики, складывающиеся в небольшой пакет, важны не только для военных. Они могут служить датчиками, например, при обслуживании мостов: определенные колебания их частоты указывают на сильное воздействие.
Жидкометаллический мотор-насос китайских ученых можно использовать для доставки материалов по трубам или лекарств по кровеносным сосудам и проведения биомедицинских исследований. Исследователи успешно срастили in vitro разрезанные седалищные нервы, взятые у лягушки с помощью сплава галлия. Такое соединение, считают исследователи, поможет поддерживать мышцы в тонусе до полного восстановления нервных окончаний, затем металл можно удалить из организма.
Когда ждать Терминатора?
Оставим в стороне все страшилки, пророчащие гибель человечеству от искусственного интеллекта, который выйдет из-под контроля. Уже сегодня беспилотники доставляют товары, кроны развозят пиццу, роботы работают в армии, в космосе и в сельском хозяйстве. Главный робототехник «Сколково» Альберт Ефимов на последней конференции Skolkovo Robotics - 2015рассказал и о развитии российских проектов Фонда.
Но пришествие в ближайшем будущем жидкометаллического робота Т-1000 версии Кэмерона, созданного «Скайнет», ученые-материаловеды и робототехники считают маловероятным — прогресс в области искусственного интеллекта пока не впечатляет. Однако новейшая самоорганизующаяся материя, без сомнений, будет присутствовать в нашем будущем — в виде умной инфраструктуры (саморемонтирующихся мостов и линий электропередач) или поисковых и спасательных роботов, меняющих форму для преодоления препятствий.
Ольга Баклицкая
Исочник:
Свежие комментарии