Materialen die hun vorm kiezen en aanpassen (video)

Metamaterialen kunnen niet alleen van vorm veranderen, maar leren sinds kort ook om hun vorm-veranderingsstrategie aan te passen, reflexmatige acties uit te voeren en te bewegen als levende organismen.

Dat blijkt uit onderzoek van de Universiteit van Amsterdam, dat is gepubliceerd in Nature Physics.

Normale materialen hebben een vaste respons op het uitoefenen van een kracht, en robots vertonen voorgeprogrammeerd gedrag. Levende materialen, zoals cellen en hersenloze organismen, kunnen zich daarentegen juist bijzonder goed aanpassen aan veranderende omstandigheden. Geïnspireerd door de natuur ontwierp het onderzoeksteam synthetische materialen – metamaterialen – die zonder een centraal ‘brein’ kunnen leren en aanpassen.

De wormachtige metamaterialen leren geleidelijk van vorm te veranderen doordat ze worden getraind met voorbeelden. Cruciaal is dat ze vormen kunnen vergeten en opnieuw leren, meerdere vormen tegelijk kunnen leren en onthouden, en tussen deze vormen kunnen schakelen. Dit stelt hen in staat geavanceerde taken uit te voeren, zoals grijpen en zich voortbewegen (locomotie).

“Het spannendste resultaat van ons onderzoek was dat leren onze metamaterialen de mogelijkheid geeft om te evolueren – zodra het systeem begint te leren, lijken de mogelijkheden voor waar het uiteindelijk terechtkomt bijna onbegrensd”, zegt Yao Du, promovendus in het Machine Materials Lab aan de UvA en eerste auteur van het artikel.

De metamaterialen zijn ketens van identieke gemotoriseerde scharnieren die met elkaar verbonden zijn door een elastisch skelet. Elk scharnier heeft een microcontroller die meet hoe ver het gebogen is, zijn eerdere bewegingen onthoudt en informatie uitwisselt met zijn buren. Als reactie op deze informatie kan elk scharnier een koppel (een rotatiekracht) uitoefenen, waardoor de stijfheid en de voorkeurspositie van elk scharnier veranderen, zodat het materiaal leert een nieuwe vorm aan te nemen.

Verdergaan met lerende materialen

Het huidige onderzoek bouwt voort op eerder onderzoek van het Machine Materials Lab naar ‘hersenloze’ voortbeweging, waarbij ‘vreemde’ objecten ontworpen door het team autonoom over onvoorspelbaar terrein rolden, kropen en wiebelden. Deze metamaterialen konden echter geen nieuw gedrag leren of onthouden.

Du voegt toe: “In toekomstig werk willen we tijdsafhankelijk gedrag aanleren in plaats van veranderingen naar een vaste vorm. We willen bijvoorbeeld metamaterialen in staat stellen verschillende manieren van voortbewegen te leren, zoals kruipen of rollen, afhankelijk van omgevingsprikkels. We zijn ook van plan zogeheten stochastische scenario’s te onderzoeken, waarbij leren plaatsvindt onder invloed van ruis en onzekerheid. In dergelijke gevallen zou het systeem zich probabilistisch in plaats van deterministisch aanpassen, wat de robuustheid en flexibiliteit in complexe omgevingen verbetert.”