Forscher trainieren Plastik, um unter Licht zu laufen

Forscher in Finnland arbeiten derzeit an der Entwicklung und “Ausbildung” von Plastikstücken, die von Licht gesteuert werden können. Dies ist das erste Mal, dass ein synthetischer Aktuator, in diesem Fall ein Thermoplast, “lernt”, eine neue Aktion auszuführen, in diesem Fall das Gehen, basierend auf seinen vergangenen Erfahrungen und nicht auf Computerprogrammierung.

Die Plastikstücke in diesem Projekt sind aus einem thermo-responsiven Flüssigkristall-Polymer-Netzwerk und einer Schicht von Farbstoff hergestellt. Sie sind weiche Aktuatoren, die in der Lage sind, Energie in mechanische Bewegung umzuwandeln. Der Aktuator konnte anfangs nur auf Wärme reagieren, aber das ändert sich, da Licht mit Wärme assoziiert werden kann. Durch diese Assoziation kann das Plastik auf Licht reagieren. Der Aktuator ist etwas flexibel und biegt sich in ähnlicher Weise, wie ein Mensch seinen Zeigefinger biegt. Wenn der Aktuator Licht ausgesetzt wird und daher erhitzt wird, “geht” er ähnlich wie ein Regenwurm und bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von 1 mm/s, was der gleichen Geschwindigkeit wie eine Schnecke entspricht.

Arri Priimägi ist ein Senior-Autor der Universität Tampere.

“Unsere Forschung stellt im Wesentlichen die Frage, ob ein anorganisches Material auf sehr einfache Weise 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? Wir haben uns dann in dieser Forschung zusammengeschlossen, um Roboter zu entwickeln, die irgendwie neue Tricks lernen können.”

Andere 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 assoziiert, und der darin besteht, dass der Farbstoff auf der Oberfläche durch den Aktuator diffundiert, was ihn blau färbt. Die Gesamtlichtabsorption wird erhöht, und der photothermische Effekt wird ebenfalls erhöht. Die Temperatur des Aktuators steigt, und er biegt sich bei Bestrahlung.

Laut Priimägi wurde das Team von einem anderen bekannten Experiment inspiriert.

“Diese Studie, die wir durchgeführt haben, wurde durch das Experiment von Pawlows Hund inspiriert”, sagt Priimägi.

In diesem berühmten Experiment sabberte ein Hund, wenn er Essen sah, und Pawlow läutete dann eine Glocke, bevor er dem Hund Essen gab. Dies wurde einige Male wiederholt, und der Hund assoziierte schließlich Essen mit der Glocke und begann zu sabbern, wenn er die Glocke hörte.

“Wenn man an unser System denkt, entspricht die Wärme dem Essen, und das Licht entspricht der Glocke in Pawlows Experiment.”

“Viele werden sagen, dass wir diese Analogie zu weit treiben”, sagt Priimägi. “In einem gewissen Sinne haben diese Menschen Recht, da das Material, das wir untersucht haben, im Vergleich zu biologischen Systemen sehr einfach und begrenzt ist. Aber unter den richtigen Umständen gilt die Analogie.”

Das Team wird nun die Komplexität und Steuerbarkeit der Systeme erhöhen, was dazu beitragen wird, bestimmte Grenzen der Analogien zu biologischen Systemen zu finden.

“Wir zielen darauf ab, Fragen zu stellen, die es uns vielleicht ermöglichen, anorganische Materialien aus einem neuen Blickwinkel zu betrachten.”

Die Systeme können mehr als nur laufen. Sie sind in der Lage, verschiedene Wellenlängen von Licht zu “erkennen” und zu reagieren, die der Beschichtung ihres Farbstoffs entsprechen. Durch diese Fähigkeit wird das Material zu einem einstellbaren weichen Mikro-Roboter, der ferngesteuert werden kann, was für biomedizinische Anwendungen extrem nützlich ist.

“Ich denke, es gibt viele coole Aspekte dabei. Diese ferngesteuerten Flüssigkristall-Netzwerke verhalten sich wie kleine künstliche Muskeln”, sagt Priimägi. “Ich hoffe und glaube, dass es viele Möglichkeiten gibt, wie sie dem biomedizinischen Bereich, unter anderem auch der Photonik, in der Zukunft zugute kommen können.”