Tim peneliti mengembangkan material otomatis tanpa jam atau kontrol sentral

Peneliti telah mengembangkan material mekanis yang mampu mensinkronkan gerakan 37 unit terhubung, mengubah getaran halus menjadi ritme terkoordinasi, tanpa memerlukan sinyal pengaturan waktu eksternal. Tim internasional ini membangun struktur sarang lebah dua dimensi yang berisi 37 unit aktif, serta cincin elastis terpisah dengan 24 unit motor. Kedua struktur ini mengembangkan pola gerak berulang melalui interaksi antar komponennya. Peneliti menggambarkan perilaku ini sebagai bentuk kristal waktu, di mana sistem mengembangkan pola berulang dalam waktu. Berbeda dengan kristal konvensional yang struktur atomiknya berulang dalam ruang, material eksperimental ini sama-sama menunjukkan gerak terorganisir seiring waktu.

Pekerjaan ini melibatkan peneliti dari Amsterdam, Leiden, Birmingham, dan institusi Eropa lainnya, yang pada akhirnya dapat membantu insinyur mengembangkan material mekanis yang mampu mengubah bentuk dan mengoordinasikan gerakan tanpa bergantung pada pengendali sentral.

Sifat Organisasi Spontan Material

Getaran bergabung menjadi ritme, material eksperimental ini menggabungkan struktur elastis, sensor, komponen elektronik, dan aktuator. Aktuator mengubah energi listrik menjadi gerak fisik, memungkinkan setiap komponen bergerak dan memengaruhi unit tetangganya. Peneliti merancang interaksi yang tidak simetris, artinya ketika satu komponen memengaruhi yang lain, komponen kedua tidak tentu memberikan respons yang setara. Perbedaan ini terbukti penting. Dalam struktur sarang lebah, unit individual awalnya berosilasi pada frekuensi sekitar 30 Hertz, yaitu 30 kali per detik. Seiring waktu, getaran ini bergabung menjadi pola yang lebih besar, dengan panjang gelombang dan periode lebih lama, hingga seluruh struktur bergerak bersama.

Peneliti menyebut proses ini "pembentukan gelombang kasar". Sistem mengembangkan ritme terorganisir melalui interaksi yang tertanam dalam material, tanpa memerlukan sinyal eksternal untuk menyinkronkan setiap komponen.

Tim juga menguji struktur cincin yang berisi 24 unit motor. Pola deformasi frekuensi lebih tinggi muncul terlebih dahulu di sekitar cincin, kemudian secara bertahap bergabung menjadi gerakan yang lebih besar. Akhirnya, cincin tersebut stabil pada siklus pengulangan yang lebih lambat. Eksperimen menunjukkan pola kolektif mampu tetap stabil dalam kondisi gangguan acak. Peneliti juga memanfaatkan pemodelan matematika untuk memeriksa perilaku gerak teratur seiring bertambahnya skala sistem.

Potensi Aplikasi Masa Depan

Temuan ini mengisyaratkan cara yang memungkinkan untuk membangun struktur mekanis yang mengoordinasikan gerakan melalui desain fisiknya, bukan dengan menginstruksikan setiap komponen.

"Penelitian kami memberikan contoh menarik dari organisasi spontan — getaran halus mengorganisir dirinya sendiri hingga seluruh material bergerak secara terkoordinasi," ujar penulis utama bersama Jack Binysh dari University of Birmingham. Struktur eksperimental ini berisi lebih dari 100 sensor dan aktuator, serta bagian cetak 3D dan aktuator Lorentz custom-built, yang memanfaatkan gaya elektromagnetik untuk menghasilkan gerak mekanis.

Peneliti membayangkan material masa depan yang mampu beralih antar pola gerak stabil yang berbeda. Struktur-struktur ini pada akhirnya mungkin bisa mengubah bentuk atau bergerak ke arah berbeda tanpa memerlukan sistem mekanis terpisah untuk setiap fungsi. Namun, eksperimen hanya menunjukkan osilasi terkoordinasi, bukan robot yang mampu menjalankan berbagai tugas praktis. Peneliti belum menunjukkan pengendalian perpindahan antar pola gerak yang berbeda untuk operasi robot yang berguna. Tim berencana mempelajari struktur tiga dimensi yang mendukung gerak lebih kompleks, termasuk membengkok, memutar, dan geser. Hasil penelitian ini telah diterbitkan di jurnal Nature.

Potensi Material Otomatis Tanpa Kontrol Sentral

Penelitian ini mendemonstrasikan kemampuan organisasi spontan material mekanis, yang mampu mengoordinasikan gerakan tanpa memerlukan kontrol sentral. Hal ini memiliki arti penting bagi desain teknik masa depan, karena dapat mengurangi ketergantungan pada sistem kontrol yang kompleks, sehingga menyederhanakan proses desain dan manufaktur struktur mekanis. Meskipun eksperimen saat ini berfokus pada osilasi terkoordinasi, potensi aplikasi multifungsi di masa depan akan membuka arah baru bagi berbagai teknologi industri dan robotika. Eksplorasi lebih lanjut peneliti diharapkan dapat mewujudkan pola gerak yang lebih kompleks, mendorong pengembangan material otomatis.