Onderzoekers creëren zelfvoortstuwende kunstmatige trilharen

Onderzoekers aan de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hebben met succes een zelfvoortstuwende, programmeerbare kunstmatige trilhaar ontwikkeld. Deze nieuwe doorbraak komt na jaren van pogingen van wetenschappers om kleine, kunstmatige trilharen te ontwikkelen voor mini-robotische systemen. De kunstmatige trilharen kunnen helpen bij het uitvoeren van complexe bewegingen zoals buigen, draaien en omkeren.

Het onderzoek werd gepubliceerd in Nature.

Constructie van microstructuren

Traditioneel vereist de constructie van microstructuren meerdere stapsgewijze fabricageprocessen en verschillende stimuli om complexe bewegingen te creëren, waardoor hun breed toepasbaarheid beperkt is.

De nieuw ontwikkelde micron-schaalstructuren kunnen voor veel toepassingen worden gebruikt, waaronder zachte robotica, biocompatibele medische apparaten en dynamische informatie-encryptie.

Joanna Aizenberg is de Army Smith Berylson Professor of Materials Science en Professor of Chemistry and Chemical Biology aan SEAS. Ze is ook de senior auteur van het artikel.

“Innovaties in adaptieve zelfregulerende materialen die in staat zijn om een diversiteit aan geprogrammeerde bewegingen uit te voeren, vormen een zeer actief veld, dat wordt aangepakt door interdisciplinaire teams van wetenschappers en ingenieurs,” zei Aizenberg. “Vooruitgang in dit veld kan een significante impact hebben op de manier waarop we materialen en apparaten ontwerpen voor een breed scala aan toepassingen, waaronder robotica, geneeskunde en informatie technologie.”

Het mogelijk maken van de structuur om te reconfigureren en voort te stuwen

Terwijl eerder onderzoek complexe multicomponent materialen betrof om de structurele elementen van deze systemen te bereiken, ontwierp het nieuwe team een microstructuurpijler van één materiaal. Dit enkele materiaal is een fotoresponsief vloeibaar kristal-elastomeer, dat de bouwstenen in staat stelt om te heroriënteren en de structuur te veranderen wanneer licht de microstructuur raakt.

Wanneer de vormverandering optreedt, gebeurt het eerste wat gebeurt dat de plek waar het licht raakt transparant wordt, waardoor licht dieper in het materiaal kan doordringen en nog meer vervormingen kan veroorzaken. Daarna vervormt het materiaal en verandert de vorm, wat betekent dat een nieuwe plek op de pijler wordt blootgesteld aan licht en van vorm verandert.

Dit proces maakt het mogelijk dat de microstructuur in een cyclus van beweging voortstuwt.

Shucong Li is een promovendus in de afdeling Chemie en Chemische Biologie aan Harvard, evenals co-first auteur van het artikel.

“Deze interne en externe feedbacklus geeft ons een zelfregulerend materiaal. Zodra je het licht aanzet, doet het al zijn eigen werk,” zei Li.

Het materiaal keert dan terug naar zijn oorspronkelijke vorm wanneer het licht uitgaat. Omdat het materiaal kan draaien en van vorm veranderen, kunnen de eenvoudigste structuren op oneindig veel manieren worden geconfigureerd en afgestemd.

Michael M. Lurch is een postdoctoraal onderzoeker in de Aizenberg Lab en co-first auteur van het artikel.

“We hebben aangetoond dat we de choreografie van deze dynamische dans kunnen programmeren door een reeks parameters aan te passen, waaronder verlichtingshoek, lichtintensiteit, moleculaire oriëntatie, microstructuurgeometrie, temperatuur en bestralinginterval en -duur,” zei Lerch.

Het team heeft ook aangetoond hoe de pijlers met elkaar interacteren als onderdeel van een array.

“Wanneer deze pijlers in groepen worden samengesteld, interacteren ze op zeer complexe manieren, omdat elke vervormde pijler een schaduw werpt op zijn buurman, die verandert tijdens het vervormingsproces,” zei Li. “Het programmeren van hoe deze schaduw-gemedieerde zelf-blootstellingen veranderen en dynamisch met elkaar interacteren, kan nuttig zijn voor toepassingen zoals dynamische informatie-encryptie.”

“De enorme ontwerpruimte voor individuele en collectieve bewegingen is potentieel transformatief voor zachte robotica, micro-walkers, sensoren en robuuste informatie-encryptiesystemen,” voegde Aizenberg toe.

Het onderzoek omvatte ook co-auteurs James T. Waters, Bolei Deng, Reese S. Martens, Yuxing Yao, Do Yoon Kim, Katia Bertoldi, Alison Grinthal en Anna C. Balazs.