Люди, думая о мощных машинах, скорее представят мускульные автомобили, а не собственные мышцы. Но мышцы и другие живые ткани могут совершать энергичные движения очень быстро — они сокращаются, дёргаются и пульсируют. Именно так физика определяет силу.
Учёные и инженеры давно черпают вдохновение из биологии, чтобы создавать новые мягкие, эластичные и лёгкие материалы для различных применений, включая двигатели, роботов и другие устройства. Однако эти синтетические материалы пока не могут сравниться с активными, мощными характеристиками живых тканей.
Теперь исследователи из Мичиганского университета [опубликовали](https://link.aps.org/doi/10.1103/19rh-3whq) в журнале Physical Review Letters модель, или теоретическую основу, которая показывает путь к достижению этого.
«Наш интерес был сосредоточен на быстрых движениях, — сказал Сурадж Шанкар, доцент кафедры физики Мичиганского университета. — Если мы хотим создать мягкие двигатели и мягкие машины, которые могут развивать огромную мощность и способны приводить в движение чрезвычайно быстрые механизмы, это действительно сложная задача».
Шанкар и его коллеги показали, что эту задачу можно преодолеть, связав внутреннюю механику и химию материала так, чтобы его врождённое сопротивление движению стало способствующим компонентом. Исследование было поддержано Национальным научным фондом США, Управлением исследований армии США и Управлением военно-морских исследований.
«Представьте себе пассивный мягкий материал, например, кусок резины. Если вы его растянете, он медленно вернётся и расслабится до своей первоначальной формы. Мы бы сказали, что энергия рассеивается за счёт демпфирования материала», — сказал Сяоминг Мао, профессор физики Мичиганского университета и старший автор исследования. «Если мы хотим вызвать поведение, похожее на бьющееся сердце, в реальном материале, нам нужно что-то, что будет бороться с этим рассеянием. Здесь мы используем механизм химических реакций».
Ключевая особенность этой модели заключается в том, что материал содержит реактивные химические компоненты, которые могут обеспечивать систему энергией посредством своих реакций. Но эти реакции также должны быть чувствительны к силам, действующим, когда материал подвергается напряжению или деформации.
Эта связь между реакциями и механической силой создаёт своего рода положительную обратную связь, которая противодействует естественному демпфирующему поведению и делает движение материала более сложным. Обычно это демпфирование подавляет инерцию материала — его естественное сопротивление переключению из состояния покоя в движение и наоборот, но оно становится ключевым игроком, когда обратная связь активна.
«Это свойство, которое обычно игнорируют — инерция системы — на самом деле важно, — сказал Бисваруп Аш, научный сотрудник и соавтор исследования. — Оно действительно порождает это интересное поведение».
Команда показала, что если обратная связь достаточно сильна, движение материала становится хаотичным, говоря математическим языком.
«Представьте себе гель, который дрожит или дёргается», — сказал Шанкар. «Физически это то, как выглядело бы такое хаотичное поведение для реального материала».
Хотя такие активные материалы ещё не реализованы, исследователи продемонстрировали отдельные компоненты цикла обратной связи в других экспериментах, сказал Мао. Например, были созданы [материалы, которые меняют цвет](https://phys.org/news/2023-01-rainbow-force-activated-pigments-stress.html?utmsource=embeddings&utmmedium=related&utm_campaign=internal), когда их сжимают, потому что активируется химическая реакция. Или другие инженеры химические реакции, которые заставляют материал менять форму или двигаться.
«Насколько нам известно, эти компоненты ещё не были объединены вместе, — сказал Мао. — Но вполне возможно, что в ближайшем будущем это произойдёт с помощью какой-нибудь умной химии».
Соавторами исследования также являются Сиддхартха Саркар, который работал в качестве постдокторанта в Мичиганском университете; Николас Боэхлер, профессор инженерных наук в Калифорнийском университете в Сан-Диего; и Юэян Ву, который работал в качестве исследователя-бакалавра в Мичиганском университете.
Предоставлено [Мичиганским университетом](https://phys.org/partners/university-of-michigan/)
published a model, or a theoretical framework, that shows a pathway to achieve just that in the journal Physical Review Letters.«,»\»Our interest was to think about fast movements,\» said Suraj Shankar, U-M assistant professor of physics. \»If we want to make soft engines and soft machines that pack a punch and can drive extremely fast motions, that’s a really difficult task.\»»,»Shankar and colleagues showed that that challenge could be overcome by coupling a material’s internal mechanics and chemistry so that its innate resistance to motion becomes an enabling ingredient. The research was supported by the U.S. National Science Foundation, U.S. Army Research Office and Office of Naval Research.»,»\»Think of a passive soft material, like a piece of rubber, if you stretch it, it’ll slowly go back and relax to its original shape. The language we’d use to describe that is to say the energy gets dissipated through the damping of the material,\» said Xiaoming Mao, U-M professor of physics and senior author of the study. \»If we want to give rise to a beating heart kind of behavior in a real material, we need something to fight that dissipation. Here, the mechanism we make use of is chemical reactions.\»»,»A key feature of this framework is that the material contains reactive chemical ingredients that can provide energy to the system through its reactions. But those reactions also need to be sensitive to the forces at work when the material is stressed or strained from being deformed.»,»This coupling between the reactions and mechanical force creates a sort of positive feedback loop that counteracts the natural damping behavior and makes the material’s motion more complex. Normally, that damping would overwhelm a material’s inertia—its natural resistance to switching from rest to motion and vice versa—but it becomes a key player when the feedback is active.»,»\»This property that is usually neglected—the inertia of the system—is actually important,\» said Biswarup Ash, a research fellow and co-author of the study. \»It actually generates this interesting behavior.\»»,»The team showed that If the feedback loop is strong enough, the material’s motion becomes chaotic, mathematically speaking.»,»\»Imagine you have a gel that’s shivering or twitching,\» Shankar said. \»That’s physically what this sort of chaotic behavior would look like for an actual material.\»»,»Although such active materials have not been realized yet, researchers have demonstrated individual components of the feedback cycle in other experiments, Mao said. For example, there have been materials that change color when squished because a chemical reaction is activated. Or others have engineered chemical reactions that cause a material to change shape or move.»,»\»As far as we know, though, these components have not been combined together,\» Mao said. \»But it’s plausible that in the near future they could be, with some smart chemistry.\»»,»The study’s co-authors also include Siddhartha Sarkar, who contributed as a U-M postdoctoral scholar; Nicholas Boechler, professor of engineering at the University of California, San Diego; and Yueyang Wu, who contributed as a U-M undergraduate researcher.»,»\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tUniversity of Michigan\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t»,»\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Other Physics Topics\n\t\t\t\t\t\t «]’>Источник