I ricercatori creano ciglia artificiali auto-propulsivi

I ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hanno sviluppato con successo ciglia artificiali auto-propulsivi e programmabili. Questo nuovo progresso arriva dopo anni di tentativi da parte degli scienziati di progettare ciglia artificiali miniature per sistemi robotici miniaturizzati. Le ciglia artificiali potrebbero aiutare tali sistemi robotici a eseguire movimenti complessi come piegarsi, torcere e invertire.

La ricerca è stata pubblicata su Nature.

Costruzione di microstrutture

Tradizionalmente, la costruzione di microstrutture richiede processi di fabbricazione multi-step e vari stimoli per creare movimenti complessi, il che ha limitato le loro applicazioni su larga scala.

Le nuove strutture microniche potrebbero essere utilizzate per molte applicazioni, tra cui robotica soffice, dispositivi medici biocompatibili e crittografia dinamica delle informazioni.

Joanna Aizenberg è professore di scienze dei materiali e professore di chimica e biologia chimica presso la SEAS. È anche autore senior del documento.

“Le innovazioni nei materiali auto-regolati adattivi in grado di eseguire una vasta gamma di movimenti programmabili rappresentano un campo molto attivo, che viene affrontato da team interdisciplinari di scienziati e ingegneri”, ha affermato Aizenberg. “I progressi realizzati in questo campo possono avere un impatto significativo sul modo in cui progettiamo materiali e dispositivi per una varietà di applicazioni, tra cui robotica, medicina e tecnologie dell’informazione”.

Abilitazione della struttura a riconfigurarsi e propellersi

Mentre le ricerche precedenti hanno coinvolto materiali multicomponenti complessi per realizzare gli elementi strutturali di questi sistemi, il nuovo team ha progettato un pilastro microstrutturale realizzato con un solo materiale. Questo materiale è un elastomero liquido cristallino foto-reattivo, che consente ai blocchi costruttivi 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 a fondo nel materiale e causare ulteriori deformazioni. Dopo di che, il materiale si deforma e la forma cambia, il che significa che un nuovo punto sul pilastro è esposto alla luce e cambia forma anch’esso.

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

Shucong Li è uno studente di dottorato presso il Dipartimento di chimica e biologia chimica di Harvard, nonché co-autore principale del documento.

“Questo ciclo di feedback interno ed esterno ci dà un materiale auto-regolato. Una volta acceso, fa tutto il suo lavoro”, ha affermato Li.

Il materiale torna 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 tarate con infinite possibilità.

Michael M. Lurch è un fellow post-dottorato presso il laboratorio di Aizenberg e co-autore principale del documento.

“Abbiamo dimostrato che possiamo programmare la coreografia di questo ballo dinamico adattando una gamma di parametri, tra cui angolo di illuminazione, intensità della luce, allineamento molecolare, geometria della microstruttura, temperatura e intervalli e durata di irradiazione”, ha affermato Lerch.

Il team ha anche dimostrato come i pilastri interagiscano tra loro come parte di un array.

“Quando questi pilastri sono raggruppati insieme, interagiscono in modi molto complessi perché ogni pilastro deformato proietta un’ombra sul suo vicino, che cambia durante il processo di deformazione”, ha affermato Li. “Programmare come queste ombre auto-esposizioni cambino e interagiscano dinamicamente tra loro potrebbe essere utile per applicazioni come la crittografia dinamica delle informazioni”.

“L’ampio spazio di progettazione per movimenti individuali e collettivi è potenzialmente trasformativo per la robotica soffice, i micro-camminatori, i sensori e i sistemi di crittografia robusti delle informazioni”, ha aggiunto Aizenberg.

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