Forschungsteam entwickelt automatisiertes Material ohne Uhr oder zentrale Steuerung

Forschende haben ein mechanisches Material entwickelt, das die Bewegung von 37 verbundenen Einheiten synchronisiert, feine Vibrationen in einen koordinierten Rhythmus umwandelt – ohne externe Taktsignale. Das internationale Team baute eine zweidimensionale Wabenstruktur mit 37 aktiven Einheiten sowie einen separaten elastischen Ring mit 24 Motoreinheiten. Beide Strukturen entwickeln durch die Wechselwirkung ihrer Komponenten sich wiederholende Bewegungsmuster. Die Forschenden beschreiben dieses Verhalten als eine Form von Zeitkristallen, bei der Systeme sich wiederholende Muster in der Zeit ausbilden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Kristallen, deren Atomstrukturen sich im Raum wiederholen, zeigen diese Experimentalmaterialien entsprechend organisierte Bewegung über die Zeit.

An der Arbeit waren Forschende aus Amsterdam, Leiden, Birmingham und anderen europäischen Institutionen beteiligt. Sie könnte Ingenieuren künftig helfen, mechanische Materialien zu entwickeln, die ihre Form ändern und Bewegungen koordinieren können, ohne auf einen zentralen Controller angewiesen zu sein.

Selbstorganisierende Eigenschaften des Materials

Vibrationen verschmelzen zu einem Rhythmus: Dieses Experimentalmaterial kombiniert elastische Strukturen, Sensoren, elektronische Bauteile und Aktuatoren. Aktuatoren wandeln elektrische Energie in physikalische Bewegung um, sodass sich einzelne Komponenten bewegen und ihre Nachbarn beeinflussen können. Die von den Forschenden entworfenen Wechselwirkungen sind asymmetrisch – wenn eine Komponente eine andere beeinflusst, muss die zweite nicht zwingend mit gleicher Stärke reagieren. Dieser Unterschied erweist sich als entscheidend. In der Wabenstruktur oszillieren einzelne Einheiten zunächst mit etwa 30 Hertz, also 30 Mal pro Sekunde. Mit der Zeit verschmelzen diese Vibrationen zu größeren Mustern mit längerer Wellenlänge und Periode, bis die gesamte Struktur gemeinsam schwingt.

Die Forschenden bezeichnen diesen Prozess als „Wellenvergröberung“. Das System entwickelt durch die in das Material eingebauten Wechselwirkungen einen organisierten Rhythmus, ohne dass externe Signale zur Synchronisation jeder Komponente nötig sind. Das Team testete zudem eine ringförmige Struktur mit 24 Motoreinheiten. Deformationsmuster höherer Frequenz traten zunächst rund um den Ring auf und verschmolzen allmählich zu größeren Bewegungen. Schließlich stabilisierte sich der Ring in einem langsameren Wiederholungszyklus. Experimente zeigten, dass das kollektive Muster auch unter zufälligen Störungen stabil bleibt. Die Forschenden nutzten zudem mathematische Modellierung, um das Verhalten geordneter Bewegung bei wachsender Systemgröße zu untersuchen.

Potenzial für zukünftige Anwendungen

Diese Ergebnisse deuten auf einen möglichen Weg hin, mechanische Strukturen zu bauen, die Bewegung durch ihr physikalisches Design koordinieren, statt jedem Bauteil Anweisungen zu geben. „Unsere Forschung liefert ein bemerkenswertes Beispiel für Selbstorganisation – feine Vibrationen organisieren sich selbst, bis sich das gesamte Material koordiniert bewegt“, sagt Jack Binysh, Co-Erstautor von der University of Birmingham. Die Experimentalstrukturen umfassen mehr als 100 Sensoren und Aktuatoren, 3D-gedruckte Teile sowie eigens gebaute Lorentz-Aktuatoren, die elektromagnetische Kräfte zur Erzeugung mechanischer Bewegung nutzen.

Die Forschenden stellen sich vor, dass künftige Materialien zwischen verschiedenen stabilen Bewegungsmustern wechseln können. Solche Strukturen könnten schließlich ihre Form ändern oder sich in unterschiedliche Richtungen bewegen, ohne dass für jede Funktion ein separater mechanischer Aufbau nötig wäre. Die Experimente demonstrieren jedoch koordinierte Oszillation, keine Roboter, die vielfältige praktische Aufgaben ausführen können. Ein kontrollierter Wechsel zwischen verschiedenen Bewegungsmustern für nützliche Roboteroperationen wurde noch nicht gezeigt. Das Team plant, dreidimensionale Strukturen zu erforschen, die komplexere Bewegungen unterstützen – einschließlich Biegen, Verdrehen und Scheren. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

Potenzial automatisierter Materialien ohne zentrale Steuerung

Diese Forschung demonstriert die Selbstorganisationsfähigkeit mechanischer Materialien, die Bewegung ohne zentrale Steuerung koordinieren können. Das ist für künftiges Ingenieurdesign von Bedeutung, da es die Abhängigkeit von komplexen Steuerungssystemen verringert und so Design und Fertigung mechanischer Strukturen vereinfachen könnte. Zwar konzentrieren sich die aktuellen Experimente hauptsächlich auf koordinierte Oszillation, doch mögliche multifunktionale Anwendungen könnten neue Richtungen für diverse Industrie- und Robotiktechnologien eröffnen. Weitere Forschungen des Teams versprechen, komplexere Bewegungsmuster zu realisieren und die Entwicklung automatisierter Materialien voranzutreiben.