Wissenschaftler erschaffen lebendige Materialien, die eigenständig kriechen, laufen und graben

Technischer Hintergrund

Ein Beispiel beginnt mit einem einfachen Vergleich: Komprimiert man einen Papierzettel zwischen den Fingern, knickt er in eine Richtung ein. Drückt man den gebogenen Abschnitt nach innen, schnellt er plötzlich in die entgegengesetzte Richtung um.

Da der Zettel aus inaktiver Materie besteht, findet dieses Knicken und Umschnappen unter äußerem Druck nur einmal statt. Wenn Materialien geraten Die Forscher stellten fest, dass aktive Materialien bei diesem Prozess sich völlig anders verhalten.

Um eine aktive Version des Systems zu schaffen, verbanden die Teammitglieder Stäbe zu einer Kette und setzten an den Gelenken kleine Motoren ein. Diese Motoren erzeugten nicht-reziproke Wechselwirkungen, was bedeutet, dass ein Stab je nach dem benachbarten Stab, der die Bewegung auslöste, unterschiedlich auf die Bewegung reagieren konnte.

Was die Studie zeigt

Anstatt sich nur einmal zu knicken und umzudrehen wiederholten die aktiven Ketten die Bewegung kontinuierlich und erzeugten Oszillationen. Die Forscher berichten, dass der übliche „kritische Punkt", an dem das Knicken eintritt, nun als „kritischer Ausnahmepunkt" bezeichnet wird.

In der Praxis ermöglicht dies den Ketten Bewegungen, die Kriechen, Gehen oder Graben erinnern. Die Ergebnisse wurden Al-Izzi South Wales und Yao Du in den Proceedings of the National Academy Sciences veröffentlicht. Ein Bild einer der buckelnden Ketten wurde als Cover der Zeitschrift ausgewählt.

Nach Angaben der Forscher könnte die Arbeit dazu beitragen, autonome Materialien mit mehreren Funktionen zu entwickeln, insbesondere für flexible weiche Roboter, die ohne zentralisierte Steuerungssysteme arbeiten können.

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Herausforderung eines grundlegenden mechanischen Prinzips: Ingenieure stützen sich häufig auf das Prinzip, das Allgemeinen besagt, dass sich das Verhalten auf kleinen Skalen auf größere Strukturen übertragen lässt. Zum Beispiel führt eine Versteifung einzelner Bauteile einer Struktur in der Regel auch zu einer Versteifung der gesamten Struktur.

Das Team stellte fest, dass aktive Materie dieser Regel nicht immer folgt. Unter Verwendung eines zweidimensionalen Gitters aus Motoren und Stäben stellten die Forscher fest, dass eine Erhöhung der Aktivität der einzelnen Bausteine tatsächlich zu einer geringeren Gesamtaktivität der Struktur führen kann.

Sie untersuchten, wie sich die Elastizität der größeren Struktur Abhängigkeit Komponenten verändert. Die Bedeutung der Perkolation Die Forscher ermittelten, dass das großskalige Verhalten davon abhängt, wie sich aktive mikroskopische Komponenten Material ausbreiten, ein Prozess, der als Perkolation bekannt ist.

Technik, Energie und Einsatz

Sie verglichen diesen Effekt mit dem Durchströmen die Kaffeepartikel zu dicht gepackt, kann das Wasser nicht effizient hindurchfließen. Ebenso kann eine hohe Konzentration weniger aktiver Komponenten verhindern, dass elastische Antworten sich Material ausbreiten, selbst wenn andere Bereiche weiterhin hochaktiv sind.

Die zweite Studie, die dem Forschungsteam Universität Amsterdam geleitet wurde, wurde für die Veröffentlichung Physical Review X angenommen.

Die Forscher glauben, dass der Bruch des Le-Chatelier-Prinzips in aktiver Materie wichtige Implikationen für Wissenschaftler haben könnte, die Systeme wie biophysikalische Gele, epitheliale Monoschichten und neuromorphe Netzwerke untersuchen.

Technik und Auswirkungen

Die Erkenntnisse könnten auch zukünftige Forschung Physik, Weichkörperwissenschaft, Maschinenbau, Lebenswissenschaften und Robotik beeinflussen. „Nonreciprocal buckling makes active filaments polyfunctional", Yao Du, Jonas Veenstra, Richard G. Morris, Anton Souslov, Andreas Carlson, Corentin Coulais und Jack Binysh, 13.

März 2026, Proceedings of the National Academy Sciences. DOI: 10.1073/pnas.2531723123 „Mehr ist weniger in unperkolierenden aktiven Festkörpern", Guido Baardink, Jonas Veenstra, Corentin Coulais und Anton Souslov, 13. April 2026, Physical Review X. DOI: 10.1103/flhb-kjyd