Kornellov istraživački tim je razvio novi način za dizajniranje složenih mašina mikrorazmera, onih koje crpe inspiraciju iz rada proteina i kljunova kolibrija.
Rad grupe, „Dizajn mašina sa više stanja sa uputstvom za bifurkaciju“, objavljen u Proceedings of the National Academi of Sciences. Glavni autor je Itai Griniasti, Schmidt AI postdoktorski saradnik u laboratoriji Itai Cohen, profesor fizike na Koledžu za umetnost i nauku.
Pravljenje sve manjih mašina nije samo pitanje skupljanja komponenti. Dok su makroskopske mašine tipično dizajnirane da budu podeljene, dele zadatak na male delove i svaki dodeljuju drugom delu mašine, proteini — suštinske mikroskopske mašine odgovorne za veći deo biologije — imaju drugačiji dizajn. Zadaci se često postižu koordinisanim kretanjem svih komponenti proteina, čineći ih otpornijim na haos mikroskopskog sveta.
Ranije je Koenova grupa koristila principe origamija za proizvodnju stabilnih uređaja na mikrorazmeri, od samosklopivih struktura do hodajućih mikrorobota, koji su inovativni zbog svoje veličine, ali relativno osnovne funkcije. Dodavanje funkcionalnosti u origami listove pokazuje se kao izazovan zadatak.
„Mašine koje smo do sada napravili su veoma, veoma jednostavne. Ali kada počnemo da razmišljamo o tome kako da povećamo funkcionalnost u sistemima koji su veoma povezani, počeli smo da shvatamo da svaki put kada pomerite jedan deo mašine, sve ostali delovi se pomeraju“, rekao je Koen. „To je izluđujuće, jer ne možete ništa da izolujete, sve je to povezano u ovim listovima. Onda smo počeli da se pitamo kako se to radi u mikroskopskom svetu.“ Tri stanja ciklusa blizu bifurkacije leptira. Eksperimentalna demonstracija sistema koji kruži između tri stanja škljocanjem je praćena animacijama predviđenog elasto-magnetnog potencijala i putanje sistema u prostoru parametara. Kredit: Univerzitet Kornel
Protein, kažu oni, može se smatrati mašinom koja skače između stanja kao odgovor na male promene nekoliko parametara. Istraživači su bili inspirisani primerom ove vrste funkcionalnosti na makro skali: kolibrijem.
Studija iz 2010. koju je uradio Endi Ruina, profesor mašinstva Džona F. Kara, pokazala je kako se kljun kolibrija može „glatko otvoriti, a zatim zatvoriti odgovarajućim nizom savijanja i uvrtanja mišića donje vilice“.
Ovaj sistem se objašnjava matematičkom idejom koja se naziva bifurkacija kvržice, u kojoj, u zavisnosti od sile koju vrše mišići vilice, kljun može imati jedno stabilno stanje, odnosno zatvoreno, ili dva stabilna stanja, otvorena i zatvorena. Tačka u kojoj se jedno stabilno stanje deli na dva stabilna stanja je bifurkacija kvrga.
Prednost rada oko bifurkacije kvrga je u tome što pruža par ključnih karakteristika dizajna. Prva je topološka zaštita—koja obezbeđuje doslednost u performansama uređaja, tako da ako mišići vilice povuku malo drugačije, kljun se i dalje može otvoriti i zatvoriti. Druga je prednost poluge, koja osigurava da se mišićima treba samo malo pomeriti da bi aktivirali veliku promenu u kljunu. To su upravo komponente neophodne za postizanje funkcije na mikroskali.
Koen, Grinijasti i njihovi saradnici su se pitali da li bi mogli da povećaju broj država organizovanih oko bifurkacije sa dve – to jest, otvorenih i zatvorenih – na desetine ili možda stotine. Ovo proširenje bi omogućilo projektovanje mašina koje obavljaju složene funkcije.
„Umesto kombinovanja podeljene funkcije, ove sposobnosti bi proizašle iz celog objekta“, rekao je Griniasti. „To je ples zajedno.“ Ciklus dva stanja u blizini bifurkacije leptira. Eksperimentalna demonstracija sistema koji se kreće napred-nazad između dva stanja. Sistem koristi isti magnetni obrazac u blizini bifurkacije leptira koji se koristi za demonstriranje prelaza između tri stanja. Eksperimentalni video je praćen animacijama predviđenog elasto-magnetnog potencijala i putanje sistema u prostoru parametara. Kredit: Univerzitet Kornel
Istraživači su angažovali Teaia Iang ’22 i Iuchao Chen ’19, obojicu koautora, da kreiraju dokaz koncepta makrorazmernog magnetoelastičnog modela sa leptirovom bifurkacijom koja je omogućila sistemu da puca ili glatko prelazi između tri stabilna stanja. Model se sastojao od dva panela, od kojih se jedan kretao u ravni, dok se drugi mogao slobodno okretati oko fiksne šarke. Svaki panel je bio ukrašen sa devet magneta koji su međusobno delovali, stvarajući složene interakcije koje podsećaju na one koje se nalaze u proteinima.
Centralni izazov, međutim, bio je pronalaženje metode za dizajniranje magnetnih obrazaca koji bi podstakli željenu bifurkaciju. Griniasti i David Hathcock, Ph.D. ’22 je prevazišao problem tako što je razvio algoritam koji je izgrađen na radu dinamičkih sistema Džona Gukenhajmera, A.R. Bullis profesor emeritus matematike (A&S).
„Ako bismo pokušali samo da pretpostavimo ove magnetne obrasce, da generišemo višestruke ravnoteže, ostali bismo bez računarske snage“, rekao je Koen. „Tako je Itai dizajnirao veoma lep algoritam koji pojednostavljuje pretragu.“
Sledeći korak će biti demonstracija koncepta na mikroskali.
„Za mašinu od 100 mikrona, poput tipičnih robota koje pravimo, Itai je izračunao da možemo postići 20 odvojenih stanja“, rekao je Koen. „To je ono što zamišljamo da bi se moglo napraviti na mikroskali, mašina u kojoj koristim aktuator da pomerim jedan od panela, a konfiguracija cele mašine može da se menja između 20 različitih konfiguracija. Mogli biste imati mašinu koja bi mogla, recimo, kretati se kroz tečnost, ili možda uraditi komplikovanu akciju hvatanja.“
