康奈尔大学的一个研究小组开发了一种设计复杂微型机器的新方法，该方法从蛋白质和蜂鸟喙的运作中汲取灵感。该小组的论文“多状态机的分叉指导设计”发表在《美国国家科学院院刊》上。主要作者是艺术与科学学院物理学教授ItaiCohen实验室的SchmidtAI博士后ItayGrinasty。

制造越来越小的机器不仅仅是缩小组件的问题。虽然宏观机器通常被设计为分区的，将任务分成小块并将每个小块分配给机器的不同部分，但蛋白质(负责大部分生物学的典型微观机器)具有不同的设计。任务通常是通过所有蛋白质成分的协调运动来实现的，这使得它们对微观世界的混乱更加鲁棒。

此前，科恩的团队利用折纸原理制造了一系列微型设备，从自折叠结构到行走微型机器人，这些设备的尺寸具有创新性，但功能相对基础。在折纸中添加功能是一项具有挑战性的任务。

“到目前为止，我们制造的机器非常非常简单。但是当我们开始思考如何增加高度耦合的系统的功能时，我们开始意识到，每次移动机器的一个部件时，所有的部件都会被移动。”其他部分会移动，”科恩说。“这令人发狂，因为你无法分离任何东西，它们都在这些薄片中相连。然后我们开始问这在微观世界中是如何完成的。”

蝶形分叉附近的三态循环。通过捕捉在三个状态之间循环的系统的实验演示伴随着预测的弹磁势和系统在参数空间中的轨迹的动画。图片来源：康奈尔大学

他们说，蛋白质可以被认为是一台在状态之间跳跃的机器，以响应一些参数的微小变化。研究人员受到宏观尺度上此类功能的一个例子的启发：蜂鸟。

约翰·F·卡尔机械工程学教授安迪·鲁伊纳(AndyRuina)2010年的一项研究表明，蜂鸟的喙如何“通过下颌肌肉的适当顺序的弯曲和扭转动作顺利张开，然后突然关闭”。

该系统通过称为尖尖分叉的数学思想来解释，其中，根据颌部肌肉施加的力，喙可以具有单一稳定状态，即闭合状态，或两种稳定状态，即张开和闭合。单一稳定态分裂成两个稳定态的点是尖点分岔。

围绕尖点分叉进行操作的优点是它提供了一对关键的设计特征。第一个是拓扑保护——确保设备性能的一致性，这样，如果下颌肌肉的拉力略有不同，喙仍然可以打开和关闭。第二个是杠杆优势，它确保肌肉只需要移动一点点就能激活喙的大幅变化。这些正是实现微观功能所必需的组件。

科恩、格里尼亚斯蒂和他们的合作者想知道他们是否可以将围绕分叉而组织的州数量从两个(即开放和封闭)增加到数十个甚至数百个。这种扩展将允许设计执行复杂功能的机器。

格里尼亚斯蒂说：“这些功能不是复合划分的功能，而是从整个物体中产生。”“一起跳舞吧。”

研究人员招募了共同作者TeayaYang'22和YuchaoChen'19来创建一个概念验证的宏观磁弹性模型，该模型具有蝴蝶分叉，允许系统在三个稳定状态之间快速或平稳过渡。该模型由两个面板组成，其中一个在平面上移动，而另一个则绕固定铰链自由旋转。每个面板都装饰有九个相互作用的磁铁，产生复杂的相互作用，让人想起蛋白质中发现的相互作用。

然而，一个核心挑战是找到一种设计磁性图案的方法来刺激所需的分叉。格里尼亚斯蒂和大卫·海斯科克博士'22通过开发一种算法克服了这个问题，该算法基于ARBullis数学名誉教授(A&S)约翰·古肯海默(JohnGuckenheimer)的动力系统工作。

科恩说：“如果我们试图猜测这些磁性模式，以产生多个平衡，我们就会耗尽计算能力。”“所以Itay设计了一个非常好的算法来简化搜索。”

下一步将是在微观尺度上演示这一概念。

“对于100微米的机器，就像我们制造的典型机器人一样，Itay计算出我们可以实现20种不同的状态，”科恩说。“这就是我们设想的微型机器，我使用执行器来移动其中一个面板，整个机器的配置可以在20种不同的配置之间切换。你可以拥有一台机器，比方说，通过液体移动，或者做一个复杂的抓取动作。”

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