Όταν οι άνθρωποι σκέφτονται μηχανές υψηλής ισχύος, πιθανότατα θα σκεφτούν τα muscle cars πριν από τους δικούς τους μύες. Αλλά οι μύες και άλλοι ζωντανοί ιστοί μπορούν να κάνουν ενεργητικά πράγματα πολύ γρήγορα – συσπώνται, σπάνε και χτυπούν – και αυτός είναι ο τρόπος με τον οποίο η φυσική ορίζει την ισχύ.
Οι επιστήμονες και οι μηχανικοί εμπνέονται εδώ και καιρό από τη βιολογία για να δημιουργήσουν νέα μαλακά, ελαστικά και ελαφριά υλικά για μια ποικιλία εφαρμογών, όπως κινητήρες, ρομπότ και άλλες συσκευές. Ωστόσο, αυτά τα συνθετικά υλικά δεν έχουν ακόμη καταφέρει να ανταγωνιστούν τα ενεργά, ισχυρά χαρακτηριστικά των ζωντανών ιστών. Τώρα, ερευνητές του Πανεπιστημίου του Μίσιγκαν δημοσίευσαν ένα μοντέλο, ή ένα θεωρητικό πλαίσιο, που δείχνει μια πορεία για την επίτευξη ακριβώς αυτού του στόχου, στο περιοδικό Physical Review Letters.
Πώς τα μαλακά υλικά μπορούν να μιμηθούν τη βιολογία
«Το ενδιαφέρον μας ήταν να σκεφτούμε τις γρήγορες κινήσεις», δήλωσε ο Suraj Shankar, επίκουρος καθηγητής φυσικής στο UM. «Αν θέλουμε να κατασκευάσουμε μαλακούς κινητήρες και μαλακές μηχανές που να έχουν ισχυρή ισχύ και να μπορούν να οδηγήσουν σε εξαιρετικά γρήγορες κινήσεις, αυτό είναι ένα πραγματικά δύσκολο έργο».
Ο Shankar και οι συνεργάτες του έδειξαν ότι αυτή η πρόκληση θα μπορούσε να ξεπεραστεί συνδυάζοντας την εσωτερική μηχανική και τη χημεία ενός υλικού, έτσι ώστε η έμφυτη αντίστασή του στην κίνηση να γίνει ένα βοηθητικό συστατικό. Η έρευνα υποστηρίχθηκε από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών των ΗΠΑ, το Γραφείο Έρευνας του Στρατού των ΗΠΑ και το Γραφείο Ναυτικών Ερευνών.
«Σκεφτείτε ένα παθητικό μαλακό υλικό, όπως ένα κομμάτι καουτσούκ, το οποίο αν το τεντώσετε, θα επιστρέψει σιγά σιγά στο αρχικό του σχήμα. Η γλώσσα που θα χρησιμοποιούσαμε για να το περιγράψουμε είναι ότι η ενέργεια διαχέεται μέσω της απόσβεσης του υλικού», δήλωσε ο Xiaoming Mao, καθηγητής φυσικής στο UM και κύριος συγγραφέας της μελέτης.
«Αν θέλουμε να δημιουργήσουμε μια συμπεριφορά που χτυπάει σαν καρδιά σε ένα πραγματικό υλικό, χρειαζόμαστε κάτι για να καταπολεμήσουμε αυτή τη διασπορά. Εδώ, ο μηχανισμός που χρησιμοποιούμε είναι οι χημικές αντιδράσεις».
Ο ρόλος της ανατροφοδότησης και της χημείας
Ένα βασικό χαρακτηριστικό αυτού του πλαισίου είναι ότι το υλικό περιέχει δραστικά χημικά συστατικά που μπορούν να παρέχουν ενέργεια στο σύστημα μέσω των αντιδράσεών του. Αλλά αυτές οι αντιδράσεις πρέπει επίσης να είναι ευαίσθητες στις δυνάμεις που ασκούνται όταν το υλικό καταπονείται ή καταπονείται λόγω παραμόρφωσης.
Αυτή η σύζευξη μεταξύ των αντιδράσεων και της μηχανικής δύναμης δημιουργεί ένα είδος θετικού βρόχου ανάδρασης που αντισταθμίζει τη φυσική συμπεριφορά απόσβεσης και καθιστά την κίνηση του υλικού πιο περίπλοκη. Κανονικά, αυτή η απόσβεση θα υπερνικούσε την αδράνεια ενός υλικού – τη φυσική του αντίσταση στη μετάβαση από την ηρεμία στην κίνηση και αντίστροφα – αλλά γίνεται βασικός παράγοντας όταν η ανάδραση είναι ενεργή.
«Αυτή η ιδιότητα που συνήθως παραμελείται – η αδράνεια του συστήματος – είναι στην πραγματικότητα σημαντική», δήλωσε ο Biswarup Ash, ερευνητής και συν-συγγραφέας της μελέτης. «Στην πραγματικότητα δημιουργεί αυτή την ενδιαφέρουσα συμπεριφορά».
Η ομάδα έδειξε ότι εάν ο βρόχος ανάδρασης είναι αρκετά ισχυρός, η κίνηση του υλικού γίνεται χαοτική, μαθηματικά μιλώντας.
«Φανταστείτε ότι έχετε ένα τζελ που τρέμει ή τρέμει», είπε ο Σανκάρ. «Έτσι θα έμοιαζε φυσικά αυτό το είδος χαοτικής συμπεριφοράς για ένα πραγματικό υλικό».
Μελλοντικές δυνατότητες για ενεργά υλικά
Αν και τέτοια ενεργά υλικά δεν έχουν ακόμη υλοποιηθεί, οι ερευνητές έχουν καταδείξει μεμονωμένα συστατικά του κύκλου ανάδρασης σε άλλα πειράματα, είπε ο Μάο. Για παράδειγμα, έχουν υπάρξει υλικά που αλλάζουν χρώμα όταν συμπιέζονται επειδή ενεργοποιείται μια χημική αντίδραση. Ή άλλοι έχουν σχεδιάσει χημικές αντιδράσεις που προκαλούν αλλαγή σχήματος ή κίνησης ενός υλικού.
«Από όσο γνωρίζουμε, ωστόσο, αυτά τα στοιχεία δεν έχουν συνδυαστεί», είπε ο Μάο. «Είναι όμως πιθανό ότι στο εγγύς μέλλον θα μπορούσαν να συνδυαστούν, με κάποια έξυπνη χημεία».
Στους συν-συγγραφείς της μελέτης περιλαμβάνονται επίσης ο Siddhartha Sarkar, ο οποίος συνέβαλε ως μεταδιδακτορικός υπότροφος του UM, ο Nicholas Boechler, καθηγητής μηχανικής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Ντιέγκο και ο Yueyang Wu, ο οποίος συνέβαλε ως προπτυχιακός ερευνητής του UM.
Περισσότερες πληροφορίες: Siddhartha Sarkar et al, Mechanochemical Feedback Drives Complex Inertial Dynamics in Active Solids, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/19rh-3whq . Στο arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2505.18272
Πληροφορίες περιοδικού: Physical Review Letters, arXiv
Παρέχεται από το Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν
