Forscher trainieren Plastik, um unter Licht zu laufen

Forscher in Finnland arbeiten derzeit daran, Kunststoffteile zu entwickeln und zu „trainieren“, damit sie durch Licht gesteuert werden können. Dies ist das erste Mal, dass ein synthetischer Aktuator, in diesem Fall ein Thermoplast, in der Lage ist, eine neue Aktion, in diesem Fall das Gehen, auf der Grundlage früherer Erfahrungen und nicht anhand von Computerprogrammen zu „lernen“.

Die Kunststoffe in diesem Projekt bestehen aus einem auf Temperatur reagierenden Flüssigkristallpolymernetzwerk und einer Farbstoffschicht. Es handelt sich um weiche Aktoren, die Energie in mechanische Bewegung umwandeln können. Der Aktor konnte zunächst nur auf Wärme reagieren, doch das ändert sich, da Licht mit Wärme assoziiert werden kann. Dadurch ist der Kunststoff in der Lage, auf Licht zu reagieren. Der Aktuator ist einigermaßen flexibel und biegt sich auf ähnliche Weise wie ein Mensch seinen Zeigefinger beugt. Wenn Licht auf den Aktuator projiziert wird und er dadurch erhitzt wird, „läuft“ er ähnlich wie ein Raupenwurm und bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von 1 mm/s, also im gleichen Tempo wie eine Schnecke. 

Arri Priimägi ist leitender Autor der Universität Tampere.

„Unsere Forschung stellt im Wesentlichen die Frage, ob ein unbelebtes Material in einem sehr vereinfachten Sinne irgendwie lernen kann“, sagt er. „Mein Kollege, Professor Olli Ikkala von der Aalto-Universität, stellte die Frage: Können Materialien lernen und was bedeutet es, wenn Materialien lernen würden? Wir haben uns dann bei dieser Forschung zusammengetan, um Roboter zu bauen, die irgendwie neue Tricks lernen würden.“ 

Weitere Mitglieder des Forschungsteams sind die Postdoktoranden Hao Zeng von der Universität Tampere und Hang Zhang von der Aalto-Universität. 

Es gibt auch einen Konditionierungsprozess, der Licht mit Wärme verbindet und dabei zulässt, dass der Farbstoff auf der Oberfläche durch den Aktuator diffundiert, wodurch er blau wird. Die Gesamtlichtabsorption wird erhöht und auch der photothermische Effekt wird erhöht. Auch die Temperatur des Aktors steigt und dieser verbiegt sich dann bei Bestrahlung. 

Laut Priimägi ließ sich das Team von einem anderen bekannten Experiment inspirieren. 

„Diese Studie, die wir durchgeführt haben, wurde von Pawlows Hundeexperiment inspiriert“, sagt Priimägi.

In diesem berühmten Experiment bildete ein Hund Speichelfluss, als er Futter sah, und Pawlow klingelte dann, bevor er dem Hund Futter gab. Dies wurde einige Male wiederholt, und der Hund verband schließlich das Futter mit der Glocke und begann zu speicheln, sobald er die Glocke hörte. 

„Wenn Sie an unser System denken, entspricht in Pawlows Experiment Wärme der Nahrung und das Licht der Glocke.“

„Viele werden sagen, dass wir diese Analogie zu weit treiben“, sagt Priimägi. „In gewisser Weise haben diese Leute Recht, denn im Vergleich zu biologischen Systemen ist das Material, das wir untersucht haben, sehr einfach und begrenzt. Aber unter den richtigen Umständen gilt die Analogie.“

Das Team wird nun die Komplexität und Kontrollierbarkeit der Systeme erhöhen und so dabei helfen, bestimmte Grenzen der Analogien zu finden, die zu biologischen Systemen gezogen werden können. 

„Unser Ziel ist es, Fragen zu stellen, die es uns vielleicht ermöglichen, unbelebte Materialien aus einem neuen Licht zu betrachten.“

Die Systeme können mehr als nur laufen. Sie sind in der Lage, unterschiedliche Wellenlängen des Lichts zu „erkennen“ und darauf zu reagieren, die der Beschichtung ihres Farbstoffs entsprechen. Dadurch wird das Material zu einem abstimmbaren weichen Mikroroboter, der ferngesteuert werden kann, was für biomedizinische Anwendungen äußerst nützlich ist. 

„Ich denke, da gibt es viele coole Aspekte. „Diese ferngesteuerten Flüssigkristallnetzwerke verhalten sich wie kleine künstliche Muskeln“, sagt Priimägi. „Ich hoffe und glaube, dass es viele Möglichkeiten gibt, wie sie in Zukunft neben anderen Bereichen wie der Photonik auch dem biomedizinischen Bereich zugute kommen können.“