Ερευνητές Δημιουργούν Αυτοπροωθούμενα Τεχνητά Κύρια

Ερευνητές στο Τμήμα Μηχανικής και Εφαρμοσμένων Επιστημών του Χάρβαρντ (SEAS) έχουν αναπτύξει με επιτυχία αυτοπροωθούμενα, προγραμματιζόμενα τεχνητά κύρια. Η νέα πρόοδος έρχεται μετά από χρόνια που οι επιστήμονες προσπαθούν να σχεδιάσουν μικρά, τεχνητά κύρια για μικρορομποτικές συστήματα. Τα τεχνητά κύρια θα μπορούσαν να βοηθήσουν τέτοια ρομποτικά συστήματα να εκτελούν πολύ σύνθετες κινήσεις όπως κάμψη, στρέψη και ανάστροφη.

Η έρευνα δημοσιεύθηκε στο Nature.

Κατασκευή Μικροδομών

Παραδοσιακά, η κατασκευή μικροδομών απαιτεί πολύπλοκες διαδικασίες κατασκευής και διάφορες ερεθίσματα για τη δημιουργία σύνθετων κινήσεων, που έχει περιορίσει τις ευρείες εφαρμογές τους.

Οι nově αναπτυγμένες μικροκλίμακες δομές θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για πολλές εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένων της μαλακής ρομποτικής, των βιοσυμβατών ιατρικών συσκευών και της δυναμικής κρυπτογράφησης πληροφοριών.

Η Joanna Aizenberg είναι καθηγήτρια στο Τμήμα Υλικών Επιστημών και Χημείας και Χημικής Βιολογίας στο SEAS. Είναι επίσης ο старший συγγραφέας του εγγράφου.

«Οι καινοτομίες στις αυτορυθμιζόμενες υλικές που είναι ικανές για μια ποικιλία προγραμματισμένων κινήσεων αντιπροσωπεύουν ένα πολύ ενεργό πεδίο, το οποίο αντιμετωπίζεται από διεπιστημονικές ομάδες επιστημόνων και μηχανικών», είπε η Aizenberg. «Οι προόδους που επιτυγχάνονται σε αυτό το πεδίο μπορεί να επηρεάσουν σημαντικά τους τρόπους με τους οποίους σχεδιάζουμε υλικά και συσκευές για διάφορες εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένης της ρομποτικής, της ιατρικής και των τεχνολογιών πληροφοριών».

Ενεργοποίηση της Δομής για Αναδιάταξη και Προώθηση

Ενώ η προηγούμενη έρευνα αφορούσε σύνθετα υλικά πολλών συστατικών για την επίτευξη των δομικών στοιχείων αυτών των συστημάτων, η νέα ομάδα σχεδίασε μια μικροδομή πυλώνα από ένα μόνο υλικό. Αυτό το υλικό είναι ένας φωτοευαίσθητος ελαστομερής κρυστάλλος, ο οποίος επιτρέπει στα δομικά στοιχεία να επαναρυθμίζονται και τη δομή να αλλάζει σχήμα όταν το φως χτυπά τη μικροδομή.

Όταν συμβαίνει η αλλαγή σχήματος, το πρώτο που συμβαίνει είναι ότι το σημείο όπου το φως χτυπά γίνεται διαφανές, το οποίο επιτρέπει στο φως να διεισδύσει πιο sâu στο υλικό και να προκαλέσει ακόμη περισσότερες παραμορφώσεις. Μετά από αυτό, το υλικό παραμορφώνεται και το σχήμα αλλάζει, που σημαίνει ότι ένα νέο σημείο στο πυλώνα εκτίθεται στο φως και αλλάζει σχήμα επίσης.

Αυτή η διαδικασία επιτρέπει στη μικροδομή να προωθεί σε einen κύκλο κίνησης.

Ο Shucong Li είναι μεταπτυχιακός φοιτητής στο Τμήμα Χημείας και Χημικής Βιολογίας του Χάρβαρντ, καθώς και συν-πρώτος συγγραφέας του εγγράφου.

«Αυτή η εσωτερική και εξωτερική ανατροφοδότηση μας δίνει ένα αυτορυθμιζόμενο υλικό. Μόλις ενεργοποιήσετε το φως, κάνει όλη τη δουλειά του», είπε ο Li.

Το υλικό επανέρχεται στη αρχική του μορφή όταν το φως σβήνει. Επειδή το υλικό μπορεί να στρίψει και να αλλάξει κίνηση με το σχήμα του, οι απλούστερες δομές μπορούν να αναδιαταχθούν και να ρυθμιστούν με άπειρες δυνατότητες.

Ο Michael M. Lurch είναι μεταδιδακτορικός ερευνητής στο εργαστήριο της Aizenberg και συν-πρώτος συγγραφέας του εγγράφου.

«Δείξαμε ότι μπορούμε να προγραμματίσουμε τη χορογραφία αυτής της δυναμικής χορούς με τη διαμόρφωση μιας σειράς παραμέτρων, συμπεριλαμβανομένης της γωνίας φωτισμού, της έντασης του φωτός, της molecular alignment, της γεωμετρίας της μικροδομής, της θερμοκρασίας και των διαστημάτων και της διάρκειας ακτινοβολίας», είπε ο Lerch.

Η ομάδα επίσης επέδειξε πώς οι πυλώνες αλληλεπιδρούν μεταξύ τους ως μέρος eines πίνακα.

«Όταν αυτοί οι πυλώνες ομαδοποιούνται μαζί, αλληλεπιδρούν με πολύ σύνθετους τρόπους επειδή κάθε παραμορφώσιμος πυλώνας ρίχνει μια σκιά στο γειτονικό του, η οποία αλλάζει καθ’ όλη τη διάρκεια της διαδικασίας παραμόρφωσης», είπε ο Li. «Η προγραμματισμένη αλλαγή αυτών των σκιάσεων και η δυναμική αλληλεπίδραση μεταξύ τους θα μπορούσε να είναι χρήσιμη για τέτοιες εφαρμογές όπως η δυναμική κρυπτογράφηση πληροφοριών».

«Ο τεράστιος σχεδιαστικός χώρος για ατομικές και συλλογικές κινήσεις είναι πιθανώς μετασχηματιστικός για τη μαλακή ρομποτική, τους μικρο-περπατητές, τους αισθητήρες και τα robust συστήματα κρυπτογράφησης πληροφοριών», πρόσθεσε η Aizenberg.

Η έρευνα επίσης περιελάμβανε συν-συγγραφείς τους James T. Waters, Bolei Deng, Reese S. Martens, Yuxing Yao, Do Yoon Kim, Katia Bertoldi, Alison Grinthal, και Anna C. Balazs.