Onderzoekers trainen plastic om te lopen onder licht

Onderzoekers in Finland zijn momenteel bezig met het ontwikkelen en “trainen” van stukken plastic om te worden gecontroleerd door licht. Dit is de eerste keer dat een synthetische actuator, in dit geval thermoplastisch, in staat is om “te leren” hoe hij een nieuwe actie kan uitvoeren, in dit geval lopen, op basis van zijn eerdere ervaringen en niet op basis van computerprogrammering.

De plastics in dit project zijn gemaakt van thermo-reponsief vloeibaar kristal polymeren netwerk en een laag verf. Ze zijn zachte actuators die in staat zijn om energie om te zetten in mechanische beweging. De actuator kon aanvankelijk alleen reageren op warmte, maar dat verandert nu licht kan worden geassocieerd met warmte. Door dit kan het plastic reageren op licht. De actuator is enigszins flexibel en buigt zichzelf op een manier die lijkt op de manier waarop een mens zijn wijsvinger buigt. Wanneer de actuator licht wordt geprojecteerd en daardoor wordt verwarmd, “loopt” hij op een manier die lijkt op een rups, en hij beweegt met een snelheid van 1 mm/s, of dezelfde snelheid als een slak.

Arri Priimägi is een senior auteur van de Universiteit van Tampere.

“Ons onderzoek vraagt eigenlijk of een levenloos materiaal op een heel eenvoudige manier kan leren,” zegt hij. “Mijn collega, professor Olli Ikkala van de Aalto Universiteit, stelde de vraag: Kunnen materialen leren, en wat betekent het als materialen zouden leren? We sloten ons vervolgens aan bij dit onderzoek om robots te maken die op de een of andere manier nieuwe trucs zouden leren.”

Andere leden van het onderzoeksteam zijn postdoctorale onderzoekers Hao Zeng, Universiteit van Tampere, en Hang Zhang, Aalto Universiteit.

Er is ook een conditioneringsproces dat licht associeert met warmte, en het omvat het toelaten van de verf op het oppervlak om door de actuator te diffunderen, waardoor deze blauw wordt. De totale lichtabsorptie neemt toe, en het photothermische effect neemt ook toe. De temperatuur van de actuator stijgt, en hij buigt zich vervolgens bij bestraling.

Volgens Priimägi werd het team geïnspireerd door een ander bekend experiment.

“Deze studie die we deden was geïnspireerd door het experiment van Pavlov’s hond,” zegt Priimägi.

In dat beroemde experiment speelde een hond speeksel af in reactie op het zien van voedsel, en Pavlov belde vervolgens een bel voordat hij de hond voedsel gaf. Dit werd een paar keer herhaald, en de hond associeerde uiteindelijk voedsel met de bel en begon te speekselen zodra hij de bel hoorde.

“Als je aan ons systeem denkt, komt warmte overeen met voedsel, en licht zou overeenkomen met de bel in Pavlov’s experiment.”

“Veel mensen zullen zeggen dat we deze analogie te ver doortrekken,” zegt Priimägi. “In zekere zin hebben die mensen gelijk, omdat het materiaal dat we bestudeerden, vergeleken met biologische systemen, heel eenvoudig en beperkt is. Maar onder de juiste omstandigheden houdt de analogie stand.”

Het team zal nu de complexiteit en controleerbaarheid van de systemen vergroten, en dit zal helpen om bepaalde grenzen van de analogieën te vinden die kunnen worden getrokken naar biologische systemen.

“We stellen vragen die ons misschien laten kijken naar levenloze materialen vanuit een nieuw perspectief.”

De systemen kunnen meer doen dan alleen lopen. Ze zijn in staat om “te herkennen” en te reageren op verschillende golflengtes van licht die overeenkomen met de coating van hun verf. Door dit wordt het materiaal een instelbare zachte micro-robot die in staat is om op afstand te worden gecontroleerd, wat heel nuttig is voor biomedische toepassingen.

“Ik denk dat er veel interessante aspecten zijn. Deze op afstand gecontroleerde vloeibare kristalnetwerken gedragen zich als kleine kunstmatige spieren,” zegt Priimägi. “Ik hoop en geloof dat er veel manieren zijn waarop ze het biomedische veld kunnen bevoordelen, naast andere velden zoals fotonica, in de toekomst.”