In de diepste dromen van ons allemaal, tenminste als het om science fiction gaat, zijn er zeker de T1000-vormveranderaars van Hollywood. Een team van onderzoekers heeft echter een robot van het Terminator-type gemaakt die kan smelten als reactie op specifieke stimuli en zichzelf vervolgens weer in elkaar kan zetten. Met behulp van wisselende magnetische velden en geïnspireerd door een bepaald zeedier, creëerden ze een eerste miniatuurprototype. Maar zonder te vergeten dat de eer ook gaat naar de materialen die speciaal zijn gebruikt om het model te construeren.
Hoe ziet de Terminator-robot eruit?
De eigenschappen van het model zijn te danken aan de bijzondere chemische samenstelling van de legering waaruit het bestaat. De robot is in feite een mengsel van ferromagnetische deeltjes, waaronder neodymium, ijzer en boor, in een vloeibare metaalmatrix. Met als bijzonderheid dat deze laatste een laag smeltpunt heeft; in feite wordt het mengsel ondergedompeld in zuiver gallium.
De stof is gemaakt van wat MPTM wordt genoemd, of magnetoactieve fase-overgangsmaterie. Zoals de naam al doet vermoeden, kan het omkeerbaar van de vaste fase naar de vloeibare fase gaan. Dankzij een wisselend magnetisch veld warmt het op tijdens het smelten en stolt het vervolgens weer bij kamertemperatuur.
Diagram van de stof en zijn kenmerken in relatie tot holoturie, bovenaan. Hieronder mogelijke toepassingen van de Terminator-robot, inclusief het repareren van elektrische circuits.
MPTM's combineren daarom op unieke wijze hoge mechanische sterkte, hoge belastbaarheid en hoge voortbewegingssnelheid. Hun weerstand bedraagt 21,2 MPa en hun stijfheid 1,98 GPa, voor belastingen tot 30 kg bij meer dan 1,5 m/s, in vaste fase. In de vloeibare fase hebben ze een uitstekend morfologisch aanpassingsvermogen (rek, splijten, scheuren, enz.).
Legeringskarakteristieken en eerste resultaten
De NdFeB-microdeeltjes zijn ingebed in de galliummatrix met een duidelijke fasescheiding tussen de NdFeB en het vloeibare metaal. Het mengproces wordt mechanisch uitgevoerd, zodat een elektronische scan de duidelijke fasescheiding kan zien.
De onderzoekers gebruikten puur gallium omdat het smeltpunt (29,8°C) dicht bij kamertemperatuur ligt. Dit maakt uiteraard een snelle overgang van vaste naar vloeibare fase onder omgevingsomstandigheden mogelijk.
De vaste galliummatrix voorkomt ook dat de ingebedde NdFeB-microdeeltjes bewegen of roteren. Hierdoor kunnen solide MPTM's een vaste en stabiele magnetische polariteit behouden. Deze bewegingsvrijheid beperkt echter de mobiliteit in de vloeibare fase van de gehele MPTM, terwijl wetenschappers in de vaste fase, met de toepassing van bepaalde magnetische veldintensiteiten, verschillende snelheden registreerden.
De onderzoekers voerden daarom verschillende tests uit in de vaste en vloeibare fase, bijvoorbeeld door het materiaal te laten springen, pirouettes en verschillende bewegingen. Wat Terminator aan het huilen maakte, was de specifieke opstelling waarmee ze een van de tests uitvoerden. In feite hebben wetenschappers de stof gemodelleerd in een figuur die lijkt op de Lego-man die achter de tralies van een kooi wordt geplaatst. Wanneer echter het wisselende magnetische veld wordt toegepast, is op de video duidelijk te zien dat de figuur smelt en zich vervolgens buiten de staven weer opbouwt.
Het onvermoede wezen dat hem inspireerde: de zeekomkommer
Op dit punt, na zoveel gepraat, zou je kunnen verwachten dat het Hollywood was dat de wetenschappers van Carnegie Mellon en China University beïnvloedde. Maar de zaken zijn anders dan je zou denken; Zoals in veel van dit soort onderzoeken is de natuur, en in het bijzonder een zeedier, op zijn minst gedeeltelijk verantwoordelijk voor wat zij hebben bereikt.
Zeekomkommers of zeekomkommers vormen de belangrijkste inspiratiebron voor The MPTM; Deze wezens, ook wel zeekomkommers genoemd, hebben weinig met groenten te maken. Dit zijn eigenlijk dieren die over de hele wereld op de zeebodem leven, in de klasse van de stekelhuidigen. Ze hebben een langwerpig cilindrisch uiterlijk (dat doet denken aan komkommers), waarbij de anus en de mond zich aan tegenovergestelde uiteinden bevinden.
Vooral Oluturiërs worden gekenmerkt door zogenaamde kalkhoudende spicula, stijf over hun hele lichaam, en gebruiken hun mond om zich te voeden door water te filteren. De meeste zijn benthisch, wat betekent dat ze permanent aan de zeebodem vastzitten en sommige zijn zelfs zittend (vastgehecht aan het substraat). Desondanks kunnen ze zich verplaatsen in geval van gevaar van aaseters en roofdieren.
En tot nu toe niets heel spectaculairs of onderscheidends, zouden sommigen kunnen zeggen. Maar alleen al het noemen van een van hun verdedigingsstrategieën roept vergelijkingen op met Hollywood en superheldenfilms. Zeekomkommers hebben inderdaad een groot regeneratief vermogen: ze kunnen zelfs sommige van hun organen van de ingewanden ontdoen. De waterige longen, lange darmen en enkele geslachtsklieren worden geëxplodeerd om vijanden af te leiden en het gemakkelijker te maken om te ontsnappen, waarna ze alles in een mum van tijd kunnen regenereren.
Om aan zijn CV toe te voegen: dit zeedier is van groot belang voor het mariene ecosysteem en de biodiversiteit. Net als hun aardse neven fungeren ze, net als regenwormen, als aaseters en zijn ze afschrikwekkend. Maar dat is nog niet alles: ze lijken ook het verzurende effect van de oceanen te helpen verzachten.
Toepassingen van de Terminator-robot
De zeekomkommer kan de stijfheid van zijn weefsels omkeerbaar wijzigen om zijn draagvermogen te verbeteren. Dankzij deze functie kan het fysieke schade veroorzaakt door de omgeving voorkomen. Net zoals onderzoekers dat met de Terminator-robot hebben gedaan.
Oké, dat is allemaal goed en wel, zullen sommigen zeggen, maar waar kan het in de praktijk voor worden gebruikt, wat hebben wetenschappers bedacht om het winstgevend te gebruiken? Uiteraard niet de eerste stap zetten naar wat een echte Terminator-robot zou zijn. Onderzoekers hebben onder andere ook nagedacht over het medische veld en de mogelijke bijdragen aan de reparatie van moeilijk toegankelijke apparaten.
Vloeibaar gallium
Een eerste resultaat werd behaald door de winnings- en transporttaken aan het MPTM toe te vertrouwen. In een gesimuleerd maagmodel liet het team zien hoe de micromachine naar een vloeibare fase kon overgaan. Dit is om andere vreemde voorwerpen in de maag zelf te wikkelen en vervolgens weer vast te worden. Van daaruit is het mogelijk om de robot en zijn lading eruit te halen.
In een soortgelijke test laadde de robot wat hij droeg op vooraf bepaalde punten uit, opnieuw in het gesimuleerde maagmodel. Volgens de auteurs is dit een demonstratie van het potentieel ervan als medicijnafgiftesysteem.
Ten slotte liet een simulatie zien hoe de vloeibare vorm van de robot een ‘universele schroef’ zou kunnen worden. Door in moeilijk bereikbare ruimtes te knijpen en in een schroefdop te glijden, kan het stollen. Kortom, het potentieel is aanwezig, maar verwacht geen terminatorrobot zoals Hollywood's T1000!