Efterligner, hvordan vand og vind skaber komplekse former i naturen

Indviklede naturlige formationer som stjerneformede klitter eller bueformede klipper kan virke så målrettede i form, at det er let at spekulere på, om nogen har designet dem. Forskere har længe erkendt, at en særlig kombination af tilfældige og kaotiske energifelter kan, over en længere periode, giver anledning til den slags unikke formationer, der er spredt ud over vores jordklode. Få, imidlertid, er lykkedes med at kopiere disse naturfænomener.

Forskere ved Finlands Aalto Universitet har nu fundet en måde at efterligne de naturlige processer, der skaber komplekse former og landskaber ved hjælp af en vibrerende plade og resulterende energifelter. Resultaterne offentliggøres den 22. september 2021 i Videnskabens fremskridt .

For at skabe effekten, holdet fordelte op til 100 partikler af bittesmå metalkugler – som dem der almindeligvis bruges til lodning – på en siliciumplade, der måler 5x5 cm. Et kamera og en smart algoritme gjorde det muligt for holdet at spore og manipulere partiklerne til de ønskede former, som bogstaver i alfabetet, da pladen vibrerede, skabe ikke-lineære energifelter.

"Vi brugte kameraet til at bestemme partiklernes placering, og algoritmen valgte den mest passende vibrationsfrekvens til at bevæge partiklerne i den ønskede retning. Partiklerne bevæger sig hen over pladen i en bestemt retning afhængigt af vibrationsfrekvensen, og den samme frekvens kan forårsage meget forskellige bevægelsesretninger i forskellige dele af pladen, " forklarer professor Quan Zhou, der leder forskergruppen bag resultaterne.

Forskerne var overraskede over, hvor godt den smarte algoritme var i stand til at forudsige partiklernes bevægelse ved forskellige frekvenser, trods kompleksiteten i deres bevægelse. Algoritmen minimerede effektivt forskellen mellem målformen og den faktiske partikelfordeling på pladen.

"Partikelsværmens bevægelse ligner naturfænomener, hvor naturmaterialer er formet af vind og vands kraft. Metoden skal fungere i både mindre og større skalaer, og kunne have mange fremtidige applikationer, hvor det er svært at bruge hænder eller værktøj, " siger ph.d.-kandidat Artur Kopitca.

Typisk, at fremstille et produkt med en bestemt form kræver en form eller et par dygtige hænder. Forskerne mener, at deres metode inspireret af naturen kunne bruges til at sortere celler i medicinsk og biovidenskabelig forskning eller som en industriel produktionsmetode.

Et nøglespørgsmål, der forbliver åbent, imidlertid, er, hvor mange partikler der kan kontrolleres, og hvordan processen kan integreres med andre systemer, der har lignende dynamiske egenskaber, såsom turbulente strømme.

Professor Zhous forskergruppe har tidligere undersøgt egenskaberne ved vibrerende plader, og hvordan de kan bruges til at lede partikler langs en bestemt rute eller mod en slutdestination. Det er første gang, de har forsøgt at skabe former ved at efterligne naturfænomener.