De snavel van de kolibrie wijst de weg naar het ontwerp van toekomstige micromachines

Een onderzoeksteam van Cornell heeft een nieuwe manier ontwikkeld om complexe machines op microschaal te ontwerpen, een die inspiratie put uit de werking van eiwitten en kolibriesnavels.

De paper van de groep, “Bifurcation Instructed Design of Multistate Machines”, gepubliceerd in Procedures van de National Academy of Sciences. De hoofdauteur is Itay Griniasty, een postdoctoraal onderzoeker bij Schmidt AI in het laboratorium van Itai Cohen, hoogleraar natuurkunde aan het College of Arts and Sciences.

Het bouwen van steeds kleinere machines is niet simpelweg een kwestie van het verkleinen van de componenten. Terwijl macroscopische machines doorgaans zijn ontworpen om in compartimenten te worden verdeeld, waarbij een taak in kleine stukjes wordt verdeeld en elk aan een ander deel van de machine wordt toegewezen, hebben eiwitten – de typische microscopische machines die verantwoordelijk zijn voor een groot deel van de biologie – een ander ontwerp. Taken worden vaak uitgevoerd door een gecoördineerde beweging van alle componenten van het eiwit, waardoor ze beter bestand zijn tegen de chaos van de microscopische wereld.

Eerder heeft de groep van Cohen origami-principes gebruikt om een ​​stal van apparaten op microschaal te fabriceren, van zelfvouwende structuren tot wandelende microrobots, die innovatief zijn vanwege hun grootte, maar relatief eenvoudig in functie. Het toevoegen van functionaliteit in origamibladen blijkt een uitdagende taak te zijn.

“De machines die we tot nu toe hebben gemaakt, zijn heel, heel eenvoudig. Maar toen we begonnen na te denken over hoe we de functionaliteit van sterk gekoppelde systemen konden vergroten, begonnen we ons te realiseren dat elke keer dat je een onderdeel van de machine verplaatst, alle andere delen bewegen,” zei Cohen. “Het is gekmakend, omdat je niets kunt isoleren, het is allemaal met elkaar verbonden in deze bladen. Toen begonnen we ons af te vragen hoe dit in de microscopische wereld wordt gedaan.”

Een eiwit, zeiden ze, kan worden gezien als een machine die tussen toestanden springt als reactie op kleine veranderingen van een paar parameters. De onderzoekers lieten zich inspireren door een voorbeeld van dit soort functionaliteit op macroschaal: de kolibrie.

Een studie uit 2010 door Andy Ruina, de John F. Carr hoogleraar Werktuigbouwkunde, toonde aan hoe de snavel van een kolibrie “soepel kan worden geopend en vervolgens dichtgeklapt door een passende opeenvolging van buig- en draaibewegingen door de spieren van de onderkaak”.

Dit systeem wordt verklaard door een wiskundig idee dat cusp-bifurcatie wordt genoemd, waarbij, afhankelijk van de krachten die door de kaakspieren worden uitgeoefend, de snavel een enkele stabiele toestand kan hebben, dwz gesloten, of twee stabiele toestanden, zowel open als gesloten. Het punt waarop de enkele stabiele toestand zich splitst in twee stabiele toestanden is de cusp-bifurcatie.

Het voordeel van werken rond een cusp-bifurcatie is dat het een paar belangrijke ontwerpkenmerken biedt. De eerste is topologische bescherming – die zorgt voor consistentie in de prestaties van een apparaat, zodat als de kaakspieren iets anders trekken, de snavel nog steeds open en dicht kan klikken. Het tweede is een hefboomvoordeel, dat ervoor zorgt dat de spieren maar een klein beetje hoeven te bewegen om een ​​grote verandering in de snavel te activeren. Dit zijn precies de componenten die nodig zijn om functie op microschaal te bereiken.

Cohen, Griniasty en hun medewerkers vroegen zich af of ze het aantal staten rond een splitsing konden verhogen van twee – dwz open en gesloten – tot tientallen of mogelijk honderden. Deze uitbreiding zou het ontwerp van machines mogelijk maken die complexe functies uitvoeren.

“In plaats van een gecompartimenteerde functie samen te stellen, zouden deze mogelijkheden uit het hele object naar voren komen”, zei Griniasty. “Het is samen dansen.”

De onderzoekers rekruteerden Teaya Yang ’22 en Yuchao Chen ’19, beide co-auteurs, om een ​​proof-of-concept magneto-elastisch model op macroschaal te creëren met een vlindervertakking waardoor het systeem kon klikken of soepel kon overgaan tussen drie stabiele toestanden. Het model bestond uit twee panelen, waarvan het ene in een vlak bewoog en het andere vrij rond een vast scharnier kon draaien. Elk paneel was versierd met negen magneten die met elkaar in wisselwerking stonden, waardoor complexe interacties ontstonden die deden denken aan die in eiwitten.

Een centrale uitdaging was echter het vinden van een methode om magnetische patronen te ontwerpen die de gewenste bifurcatie zouden stimuleren. Griniasty en David Hathcock, Ph.D. ’22 loste het probleem op door een algoritme te ontwikkelen dat voortbouwde op het dynamische systeemwerk van John Guckenheimer, de AR Bullis emeritus hoogleraar wiskunde (A&S).

“Als we zouden proberen deze magnetische patronen gewoon te raden, om meerdere evenwichten te genereren, zouden we geen rekenkracht meer hebben”, zei Cohen. “Dus Itay heeft een heel mooi algoritme ontworpen dat het zoeken vereenvoudigt.”

De volgende stap zal zijn om het concept op microschaal te demonstreren.

“Voor een machine van 100 micron, zoals de typische robots die we maken, berekende Itay dat we 20 afzonderlijke toestanden konden bereiken”, zei Cohen. “Dat is wat we ons voorstellen dat op microschaal zou kunnen worden gemaakt, een machine waarbij ik een actuator gebruik om een ​​van de panelen te verplaatsen, en de configuratie van de hele machine kan schakelen tussen 20 verschillende configuraties. Je zou een machine kunnen hebben die dat zou kunnen, laten we zeggen, door vloeistof voortbewegen, of misschien een ingewikkelde grijpactie uitvoeren.