Vědci odhalili paradox: Přílišná aktivita jednotlivých částí oslabuje odezvu aktivních materiálů

Vědci z Amsterdamské univerzity pod vedením Jacka Binyshe přišli s překvapivým zjištěním, které mění dosavadní předpoklady o aktivních materiálech. Dlouho se věřilo, že čím aktivnější jsou mikroskopické komponenty těchto materiálů, tím užitečnější vlastnosti mohou získat.

Vědci z Amsterdamské univerzity pod vedením Jacka Binyshe přišli s překvapivým zjištěním, které mění dosavadní předpoklady o aktivních materiálech. Dlouho se věřilo, že čím aktivnější jsou mikroskopické komponenty těchto materiálů, tím užitečnější vlastnosti mohou získat. Nový výzkum však ukazuje, že to neplatí vždy.

Aktivní materiály jsou složeny z mikroskopických jednotek, které spotřebovávají energii k vytváření vlastního pohybu nebo sil. Nacházejí se v systémech od bakteriálních rojů po samoorganizující se polymery a jsou zajímavé tím, že mohou existovat daleko od svých rovnovážných stavů, což jim umožňuje vykazovat vlastnosti, které u běžných materiálů nenajdeme. Příkladem je „zvláštní elasticita“, kdy materiál reaguje na stlačení nebo smyk v kolmém úhlu, namísto očekávaného směru. Tyto exotické vlastnosti umožňují aktivním materiálům například plazit se po nerovném terénu nebo vykonávat mechanickou práci v cyklech.

Tým Jacka Binyshe se rozhodl prozkoumat, zda lze silnější a užitečnější odezvu celého materiálu dosáhnout jednoduše zvýšením aktivity jednotlivých komponent. K tomu sestrojili robotický metamateriál z hexagonálních buněk propojených motorizovanými klouby. Tyto klouby byly navrženy jako nereciproční, což znamená, že tlak v jednom směru vyvolal asymetrickou, směrovou odezvu sousedních částí.

Během experimentu vědci postupně zvyšovali sílu těchto motorizovaných interakcí a sledovali, jak se mění celkové mechanické chování materiálu, konkrétně zda se očekávaně zesiluje neobvyklá kolmá stresová odezva. K jejich překvapení se tak nestalo. Po překročení určitého prahu způsobilo zvýšení síly motorizovaných interakcí, že se velkoplošná zvláštní odezva začala zmenšovat a nakonec zcela vymizela.

Kombinací experimentů se simulacemi a teoretickými modely vědci vysvětlili toto protichůdné chování pomocí konceptu „perkolace“ z teorie sítí. Jejich modely odhalily, že neobvyklá mechanická odezva se objevila pouze tehdy, když aktivní jednotky tvořily propojenou síť pokrývající celý systém. Když byla aktivita příliš vysoká, aktivní komponenty se efektivně „uzamkly“ a oddělily se jedna od druhé, čímž se jejich individuální příspěvky zachytily lokálně, místo aby se šířily celým materiálem.

Výsledky naznačují, že navrhování užitečných vlastností v aktivních materiálech není jen otázkou zvyšování aktivity. Klíčová je také konektivita, která je stejně důležitá jako samotná síla aktivity. Kontrolou prostorového uspořádání aktivních jednotek spolu s jejich individuální úrovní aktivity by tak budoucí výzkum mohl umožnit přepínání materiálů mezi silnou kolektivní odezvou a stavem, kdy aktivita zůstává ve velkém měřítku neviditelná. Tento poznatek otevírá nové možnosti pro návrh programovatelných robotických materiálů a pro lepší pochopení mechaniky biologických systémů, jako jsou tkáně a cytoskeletální sítě.