Forskere udvikler selvpropellerende kunstige cilier

Forskere ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har succesfuldt udviklet en selvpropellerende, programmerbar kunstig cili. Den nye fremgang kommer efter år med videnskabsmænd, der har forsøgt at konstruere små, kunstige cilier til miniature-robotsystemer. De kunstige cilier kan hjælpe sådanne robotsystemer med at udføre meget komplekse bevægelser som bøjning, drejning og omvendelse.

Forskningen er offentliggjort i Nature.

Konstruktion af mikrostrukturer

Traditionelt kræver konstruktionen af mikrostrukturer multi-trins fabrikationsprocesser og forskellige stimuli for at skabe komplekse bevægelser, hvilket har begrænset deres bredere anvendelser.

De nyligt udviklede mikroskala-strukturer kan anvendes til mange formål, herunder bløde robotter, biokompatible medicinske enheder og dynamisk informationskryptering.

Joanna Aizenberg er Army Smith Berylson Professor of Materials Science og Professor of Chemistry and Chemical Biology ved SEAS. Hun er også seniorforfatter på artiklen.

“Innovationer i adaptive selvregulerende materialer, der er i stand til en diversitet af programmerede bevægelser, repræsenterer et meget aktivt felt, som håndteres af tværfaglige hold af videnskabsmænd og ingeniører,” sagde Aizenberg. “Fremgangene, der opnås i dette felt, kan have en betydelig indvirkning på, hvordan vi designer materialer og enheder til en række formål, herunder robotteknologi, medicin og informations-teknologi.”

At muliggøre, at strukturen kan omkonfigurere og propellerer

Mens tidligere forskning involverede komplekse multikomponent-materialer for at opnå de strukturelle elementer i disse systemer, designede det nye hold en mikrostruktur-pille af ét materiale. Dette enkeltmateriale er et fotoresponsivt flydende krystallinsk elastomer, der muliggør, at byggeblokkene kan omorientere sig, og strukturen kan ændre form, når lys rammer mikrostrukturen.

Når formændringen sker, er det første, der sker, at stedet, hvor lyset rammer, bliver gennemsigtigt, hvilket tillader, at lyset trænger dybere ind i materialet og forårsager yderligere deformationer. Efter det deformerer materialet og formen ændrer sig, hvilket betyder, at et nyt sted på pillen bliver udsat for lys og ændrer form også.

Denne proces muliggør, at mikrostrukturen kan propellerer i en cyklus af bevægelser.

Shucong Li er en ph.d.-studerende ved Department of Chemistry and Chemical Biology på Harvard og er også medforfatter på artiklen.

“Denne interne og eksterne feedback-løkke giver os selvregulerende materiale. Når du tænder lyset, gør det alt sit eget arbejde,” sagde Li.

Materialet returnerer derefter til sin oprindelige form, når lyset slukkes. Fordi materialet kan dreje og ændre bevægelse med sin form, kan de enkleste strukturer omkonfigureres og afstemmes med uendelige muligheder.

Michael M. Lurch er en postdoc-forsker ved Aizenberg Lab og er også medforfatter på artiklen.

“Vi viste, at vi kan programmere koreografien af denne dynamiske dans ved at tilpasse en række parametre, herunder belysningsvinkel, lysintensitet, molekylær alignment, mikrostruktur-geometri, temperatur og strålingsintervaller og varighed,” sagde Lerch.

Holdet demonstrerede også, hvordan pillerne interagerer med hinanden som en del af en matrix.

“Når disse piller er grupperet sammen, interagerer de på meget komplekse måder, fordi hver deformerende pille kaster en skygge på sin nabo, som ændrer sig under deformationen,” sagde Li. “At programmere, hvordan disse skygge-medierte selv-eksponeringer ændrer sig og interagerer dynamisk med hinanden, kan være nyttigt for sådanne formål som dynamisk informationskryptering.”

“Det enorme design-rum for individuelle og kollektive bevægelser er potentielt transformerende for bløde robotter, mikro-gangere, sensorer og robust informationskrypterings-systemer,” tilføjede Aizenberg.

Forskningen inkluderede også medforfattere James T. Waters, Bolei Deng, Reese S. Martens, Yuxing Yao, Do Yoon Kim, Katia Bertoldi, Alison Grinthal og Anna C. Balazs.