Forscher entwickeln selbstständig angetriebene künstliche Cilien

Forscher an der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) haben erfolgreich eine selbstständig angetriebene, programmierbare künstliche Cilie entwickelt. Der neue Fortschritt kommt nach Jahren, in denen Wissenschaftler versucht haben, winzige künstliche Cilien für miniature Roboter-Systeme zu entwickeln. Die künstlichen Cilien könnten solchen Roboter-Systemen helfen, sehr komplexe Bewegungen wie Biegen, Drehen und Umkehren auszuführen.

Die Forschung wurde in Nature veröffentlicht.

Aufbau von Mikrostrukturen

Traditionell erfordert der Aufbau von Mikrostrukturen mehrstufige Fertigungsprozesse und verschiedene Reize, um komplexe Bewegungen zu erzeugen, was ihre breite Anwendung eingeschränkt hat.

Die neu entwickelten mikroskopischen Strukturen könnten für viele Anwendungen verwendet werden, einschließlich Weichrobotik, biokompatiblen medizinischen Geräten und dynamischer Informationsverschlüsselung.

Joanna Aizenberg ist Professorin für Materialwissenschaft und Professorin für Chemie und chemische Biologie an der SEAS. Sie ist auch die Senior-Autorin des Papiers.

“Innovationen in adaptiven, selbstregulierten Materialien, die in der Lage sind, eine Vielzahl von programmierten Bewegungen auszuführen, stellen ein sehr aktives Feld dar, das von interdisziplinären Teams von Wissenschaftlern und Ingenieuren bearbeitet wird”, sagte Aizenberg. “Fortschritte, die in diesem Feld erzielt werden, könnten die Art und Weise, wie wir Materialien und Geräte für eine Vielzahl von Anwendungen, einschließlich Robotik, Medizin und Informationstechnologie, entwerfen, erheblich beeinflussen.”

Aktivierung der Struktur zur Umkonfiguration und Antrieb

Während frühere Forschungen komplexe Mehrkomponenten-Materialien erforderten, um die strukturellen Elemente dieser Systeme zu erreichen, entwarf das neue Team einen Mikrostruktur-Pfeiler aus einem einzigen Material. Dieses Material ist ein photoresponsiver flüssigkristalliner Elastomer, der es den Bausteinen ermöglicht, sich neu auszurichten und die Struktur zu verändern, wenn Licht auf die Mikrostruktur trifft.

Wenn die Formänderung auftritt, passiert das Erste, was passiert, dass der Punkt, an dem das Licht trifft, transparent wird, was es dem Licht ermöglicht, tiefer in das Material einzudringen und weitere Deformationen zu verursachen. Danach verformt sich das Material und die Form ändert sich, was bedeutet, dass ein neuer Punkt auf dem Pfeiler dem Licht ausgesetzt ist und sich ändert.

Dieser Prozess ermöglicht es der Mikrostruktur, sich in einem Bewegungszyklus fortzubewegen.

Shucong Li ist ein Doktorand im Department of Chemistry and Chemical Biology an der Harvard-Universität und auch Co-Erstautor des Papiers.

“Diese interne und externe Feedback-Schleife gibt uns ein selbstregulierendes Material. Sobald Sie das Licht einschalten, erledigt es alle seine Arbeit”, sagte Li.

Das Material kehrt dann zu seiner ursprünglichen Form zurück, wenn das Licht ausgeschaltet wird. Da das Material sich drehen und seine Bewegung mit seiner Form ändern kann, können die einfachsten Strukturen umkonfiguriert und mit endlosen Möglichkeiten abgestimmt werden.

Michael M. Lurch ist ein Postdoktorand im Aizenberg-Labor und Co-Erstautor des Papiers.

“Wir haben gezeigt, dass wir die Choreographie dieses dynamischen Tanzes durch Anpassen einer Reihe von Parametern programmieren können, einschließlich Beleuchtungswinkel, Lichtintensität, molekularer Ausrichtung, Mikrostruktur-Geometrie, Temperatur und Bestrahlungsintervallen und -dauer”, sagte Lerch.

Das Team demonstrierte auch, wie die Pfeiler miteinander als Teil eines Arrays interagieren.

“Wenn diese Pfeiler gruppiert werden, interagieren sie auf sehr komplexe Weise, da jeder deformierende Pfeiler einen Schatten auf seinen Nachbarn wirft, der sich während des Deformierungsprozesses ändert”, sagte Li. “Das Programmieren, wie diese schattenvermittelten Selbstexpositionen sich ändern und dynamisch miteinander interagieren, könnte für solche Anwendungen wie dynamische Informationsverschlüsselung nützlich sein.”

“Der enorme Entwurfsspielraum für individuelle und kollektive Bewegungen ist potenziell transformierend für Weichrobotik, Mikro-Gänger, Sensoren und robuste Informationsverschlüsselungssysteme”, fügte Aizenberg hinzu.

Die Forschung umfasste auch Co-Autoren James T. Waters, Bolei Deng, Reese S. Martens, Yuxing Yao, Do Yoon Kim, Katia Bertoldi, Alison Grinthal und Anna C. Balazs.