I ricercatori creano ciglia artificiali semoventi

I ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hanno sviluppato con successo una ciglia artificiale semovente e programmabile. Il nuovo progresso arriva dopo anni di scienziati che tentano di progettare minuscole ciglia artificiali per sistemi robotici in miniatura. Le ciglia artificiali potrebbero aiutare tali sistemi robotici a eseguire movimenti altamente complessi come piegarsi, torcersi e invertire. 

La ricerca è stata pubblicata in Natura. 

Costruzione di microstrutture

Tradizionalmente, la costruzione di microstrutture richiede processi di fabbricazione in più fasi e vari stimoli per creare movimenti complessi, che ha limitato le loro applicazioni su larga scala. 

Le strutture su scala micron appena sviluppate potrebbero essere utilizzate per molte applicazioni, tra cui robotica morbida, dispositivi medici biocompatibili e crittografia dinamica delle informazioni. 

Joanna Aizenberg è l'Army Smith Berylson Professore di Scienza dei Materiali e Professore di Chimica e Biologia Chimica presso SEAS. È anche autrice senior del documento. 

"Le innovazioni nei materiali adattivi autoregolati che sono in grado di eseguire una serie diversificata di movimenti programmati rappresentano un campo molto attivo, che viene affrontato da team interdisciplinari di scienziati e ingegneri", ha affermato Aizenberg. "I progressi ottenuti in questo campo possono avere un impatto significativo sui modi in cui progettiamo materiali e dispositivi per una varietà di applicazioni, tra cui robotica, medicina e tecnologie dell'informazione".

Consentire alla struttura di riconfigurarsi e spingersi

Mentre la ricerca precedente prevedeva complessi materiali multicomponente per ottenere gli elementi strutturali di questi sistemi, il nuovo team ha progettato un pilastro di microstruttura costituito da un unico materiale. Questo singolo materiale è un elastomero a cristalli liquidi fotosensibile, che consente ai blocchi costitutivi di riallinearsi e alla struttura di cambiare forma quando la luce colpisce la microstruttura. 

Quando si verifica il cambiamento di forma, la prima cosa che accade è che il punto in cui la luce colpisce diventa trasparente, il che consente alla luce di penetrare più in profondità nel materiale e causare ulteriori deformazioni. Successivamente, il materiale si deforma e la forma cambia, il che significa che un nuovo punto sul pilastro viene esposto alla luce e cambia anche forma. 

Questo processo consente alla microstruttura di muoversi in un ciclo di movimento. 

Shucong Li è uno studente laureato presso il Dipartimento di Chimica e Biologia Chimica di Harvard, nonché co-primo autore dell'articolo. 

“Questo ciclo di feedback interno ed esterno ci fornisce materiale autoregolante. Una volta accesa la luce, fa tutto il suo lavoro", ha detto Li.

Il materiale ritorna quindi alla sua forma originale quando la luce si spegne. Poiché il materiale può torcersi e cambiare movimento con la sua forma, le strutture più semplici possono essere riconfigurate e sintonizzate con infinite possibilità. 

Michael M. Lurch è un borsista post-dottorato presso l'Aizenberg Lab e co-primo autore dell'articolo. 

"Abbiamo dimostrato di poter programmare la coreografia di questa danza dinamica adattando una serie di parametri, tra cui angolo di illuminazione, intensità della luce, allineamento molecolare, geometria della microstruttura, temperatura e intervalli e durata dell'irradiazione", ha affermato Lerch. 

Il team ha anche dimostrato come i pilastri interagiscono tra loro come parte di una matrice.

"Quando questi pilastri sono raggruppati insieme, interagiscono in modi molto complessi perché ogni pilastro deformante proietta un'ombra sul suo vicino, che cambia durante il processo di deformazione", ha detto Li. "Programmare come queste auto-esposizioni mediate dall'ombra cambiano e interagiscono dinamicamente tra loro potrebbe essere utile per applicazioni come la crittografia dinamica delle informazioni".

"Il vasto spazio di progettazione per i movimenti individuali e collettivi è potenzialmente trasformativo per la robotica morbida, i micro-camminatori, i sensori e i solidi sistemi di crittografia delle informazioni", ha aggiunto Aizenberg.

La ricerca ha incluso anche i coautori James T. Waters, Bolei Deng, Reese S. Martens, Yuxing Yao, Do Yoon Kim, Katia Bertoldi, Alison Grinthal e Anna C. Balazs.