无源片的自振荡。片的中心在催化片上来回摆动(红色)。功劳:拉杰·库马尔·曼纳在鸟类或鱼类成群的过程中，每个实体协调其相对于其他实体的位置，从而使群体作为一个更大的、连贯的单位移动。另一方面，萤火虫协调它们的时间行为:在一个群体中，它们最终都会同时闪烁，从而充当同步振荡器。然而，很少有实体同时协调它们的空间运动和固有的时间时钟；有限的例子被称为“群集器”，它同时在空间群集和时间振荡。日本树蛙是典型的群集者:每只青蛙相对于一群中所有其他青蛙的位置和鸣叫速度都发生了变化。
此外，青蛙呱呱叫时会改变形状:它们口下的气囊膨胀和收缩以发出声音。这种协调的行为在交配过程中起着重要的作用，因此对青蛙的生存至关重要。在合成领域，几乎没有任何材料系统，其中单个单元同时同步它们的空间组装、时间振荡和形态变化。这种高度自组织的材料对于创造自动推进的软机器人很重要，这些机器人聚集在一起，合作改变它们的形状，以完成规则的、重复的功能。
匹兹堡大学斯旺森工程学院的化学工程师现在设计了一个自振荡柔性材料系统，该系统显示出一种独特的动态自组织模式。除了表现出群集器行为之外，当它们在充满流体的腔室中相互作用时，组成材料相互适应它们的整体形状。这些系统可以为制造协作的、自我调节的软机器人系统铺平道路。
两个活动薄板的自主耦合振动。两个完全涂覆的片最初放置在关于贴片的对称位置。信用:Raj Kumar Manna该组织的研究发表在本周的《美国国家科学院院刊》上。首席研究员是安·巴拉兹，化学和石油工程杰出教授，约翰·斯旺森工程讲座教授。主要作者是Raj Kumar Manna，合著者是Oleg E. Shklyaev，两人都是博士后。
“自振荡材料将非周期信号转化为材料的周期运动，”巴拉兹解释道。“使用我们的计算机模型，我们首先在溶液中设计了微米和毫米大小的柔性片，通过自发地经历位置、运动和形状的振荡变化来响应化学反应物的非周期性输入。例如，最初扁平的单个薄片会变形为类似波浪形鱼尾的三维形状，同时在微室中来回摆动。”
柔性板的自振荡由流体室中的催化反应提供动力。薄片和琥珀表面的反应引发了一个复杂的反馈回路:反应产生的化学能转化为流体流，流体流输送柔性薄片并使其变形。结构演变的薄板反过来影响流体的运动，流体继续使薄板变形。
“真正有趣的是，当我们引入第二张纸时，我们发现了振动结构之间自组织的新形式，”甘露补充道。特别地，两个薄片形成耦合的振荡器，其通过流体通信，不仅协调它们的位置和时间脉动，而且同步它们相互的形状变化。这种行为类似于树蛙群集器，协调它们的相对空间位置和鸣叫时间，这也包括青蛙形状的周期性变化(喉咙膨胀或收缩)。
两个活动薄板的自主耦合振荡。两个完全涂覆的片最初放置在关于贴片的对称位置。功劳:拉杰·库马尔·曼纳“复杂的动态行为是生物系统的一个关键特征，”Shklyaev说。东西不只是聚集在一起，停止移动。类似地，这些薄板在适当的时间和空间内组装成一个更大的复合动力系统。此外，这种结构是自调节的，并且可以执行单个薄片不能执行的功能。"
巴拉兹说:“对于两个或两个以上的片，可以通过改变不同片的尺寸或催化剂在片上凝结的模式来控制集体的时间振荡和空间行为。这些变化允许控制振荡的相对相位，例如，振荡器可以同相或反相移动。
“这些是非常令人兴奋的结果，因为2D薄片会自动变形为3D物体，这种物体会自发地将非振荡信号转化为“指令”，形成一个更大的集合体，其形状和周期性运动由其每个运动部分来调节，”她指出。“我们的研究最终可能会导致生物启发的计算形式——就像耦合振荡器被用来在电子电路中传输信息一样——但具有自我维持、自我调节的行为。”
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