Tutkijat kehittivät itsestään liikkuva, ohjelmoitava keinotekoinen siitepöly

Harvardin yliopiston John A. Paulsonin insinööritieteellisessä ja soveltavassa tieteellisessä tiedekunnassa (SEAS) työskentelevät tutkijat ovat onnistuneesti kehittäneet itsestään liikkuva, ohjelmoitava keinotekoinen siitepöly. Uusi edistysaskel on seuraus vuosien tutkimuksesta, jossa tutkijat ovat yrittäneet kehittää pieniä, keinotekoisia siitepölyjä miniatyyrirobotijärjestelmiin. Keinotekoinen siitepöly voi auttaa tällaisia robotijärjestelmiä suorittamaan erittäin monimutkaisia liikkeitä, kuten taipumista, kiertymistä ja kääntymistä.

Tutkimus julkaistiin Nature-julkaisussa.

Mikrorakenteiden rakentaminen

Perinteisesti mikrorakenteiden rakentaminen vaatii usean vaiheen valmistusprosessin ja erilaisia ärsykkeitä, jotta voidaan luoda monimutkaisia liikkeitä, mikä on rajoittanut niiden laajamittaista soveltamista.

Uudelleen kehitetyt mikroskaalan rakenteet voivat olla käytössä monissa sovelluksissa, kuten pehmeissä roboteissa, biokompatibilisissa lääketieteellisissä laitteissa ja dynaamisissa tietosuojajärjestelmissä.

Joanna Aizenberg on SEAS:n materiaalitieteen ja kemian professori. Hän on myös tutkimuksen seniorkirjoittaja.

“Soveltuvien, itseään säätelevien materiaalien innovaatiot, jotka pystyvät moniin eri liikkeisiin, edustavat erittäin aktiivista alaa, jota tarkastelevat tieteilijöiden ja insinöörien monialaiset tiimit”, Aizenberg sanoi. “Tässä alalla saavutetut edistysaskeleet voivat vaikuttaa merkittävästi siihen, miten suunnittelemme materiaaleja ja laitteita moniin eri sovelluksiin, kuten robottiikkaan, lääketieteeseen ja tietotekniikkaan”.

Rakenteen uudelleenmuokkaaminen ja liikuttaminen

Aikaisemmissa tutkimuksissa monimutkaiset monikomponenttiset materiaalit olivat tarpeen saavuttaa näiden järjestelmien rakenteelliset elementit. Uusi tutkimusryhmä suunnitteli mikrorakenteen, joka koostuu yhdestä aineesta. Tämä aine on valoa reagoiva neste-elastomeeri, joka mahdollistaa rakennuslohkareiden uudelleenjärjestämisen ja rakenteen muodonmuutoksen, kun valo osuu mikrorakenteeseen.

Kun muodonmuutos tapahtuu, ensimmäinen asia, joka tapahtuu, on se, että kohta, johon valo osuu, tulee läpinäkyväksi, mikä mahdollistaa valon tunkeutumisen syvemmälle materiaaliin ja aiheuttaa lisää muodonmuutoksia. Tämän jälkeen materiaali muuttaa muotoa, mikä tarkoittaa, että uusi kohta pillerin pinnalla altistuu valolle ja muuttaa muotoa.

Tämä prosessi mahdollistaa mikrorakenteen liikkeen syklissä.

Shucong Li on kemian ja kemiallisen biologian tohtorikoulutettava Harvardin yliopistossa ja yksi tutkimuksen ensisijaisista kirjoittajista.

“Tämä sisäinen ja ulkoinen palaute silmukka antaa meille itseään säätelevän materiaalin. Kun valot syttyvät, se tekee kaiken työn itse”, Li sanoi.

Materiaali palautuu alkuperäiseen muotoonsa, kun valo sammutetaan. Koska materiaali voi kiertyä ja muuttaa liikettä muodollaan, yksinkertaisimmat rakenteet voidaan uudelleenmuokata ja säätää loputtomilla mahdollisuuksilla.

Michael M. Lurch on postdoc-tutkija Aizenbergin laboratoriossa ja yksi tutkimuksen ensisijaisista kirjoittajista.

“Osoitimme, että voimme ohjelmoida tätä dynaamisen tanssin koreografian mukauttamalla useita parametreja, kuten valaistuskulmaa, valovoimakkuutta, molekulaarista järjestystä, mikrorakenteen geometriaa, lämpötilaa ja säteilyväliaikaa ja kestoa”, Lerch sanoi.

Tutkimusryhmä osoitti myös, miten pillareita voidaan käyttää osana taulukkoa.

“Kun nämä pillarit ryhmitetään yhteen, ne vuorovaikuttavat erittäin monimutkaisilla tavoilla, koska jokainen muovautuva pilarin heittää varjon naapuriinsa, joka muuttuu koko muodonmuutoksen ajan”, Li sanoi. “Ohjelmointi, miten nämä varjojen itse altistumiset muuttuvat ja vuorovaikuttavat dynaamisesti toisiinsa, voi olla hyödyllistä sovelluksissa, kuten dynaamisessa tietosuojassa”.

“Laaja suunnittelutila yksittäisille ja yhteisille liikkeille on mahdollisesti muodonmuuttava pehmeille roboteille, mikropatokkeille, antureille ja vahvoille tietosuojajärjestelmille”, Aizenberg lisäsi.

Tutkimukseen osallistuivat myös James T. Waters, Bolei Deng, Reese S. Martens, Yuxing Yao, Do Yoon Kim, Katia Bertoldi, Alison Grinthal ja Anna C. Balazs.