Forskere utvikler selvdrivende kunstig cilia

Forskere ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har utviklet en selvdrivende, programmerbar kunstig cilia. Den nye fremgangen kommer etter år med forsøk på å konstruere små, kunstige cilia for miniature robotiske systemer. De kunstige cilia kan hjelpe slike robotiske systemer med å utføre komplekse bevegelser som bøying, twisting og reversering.

Forskningen ble publisert i Nature.

Konstruksjon av mikrostrukturer

Tradisjonelt krever konstruksjon av mikrostrukturer multi-trinn prosesser og ulike stimuli for å skape komplekse bevegelser, noe som har begrenset deres vidstrakte anvendelser.

De nylig utviklede mikro-skala strukturer kan brukes til mange anvendelser, inkludert myke roboter, biokompatible medisinske enheter og dynamisk informasjonskryptering.

Joanna Aizenberg er Army Smith Berylson Professor of Materials Science og Professor of Chemistry and Chemical Biology ved SEAS. Hun er også senior forfatter av artikkelen.

“Innovasjoner i adaptive selvregulerende materialer som er i stand til å utføre en rekke programmerbare bevegelser, representerer et veldig aktivt felt, som håndteres av tverrfaglige team av vitenskapsmenn og ingeniører,” sa Aizenberg. “Fremgangene som oppnås i dette feltet kan ha en betydelig innvirkning på måten vi designer materialer og enheter for en rekke anvendelser, inkludert robotikk, medisin og informasjonsteknologi.”

Aktivering av strukturen for omkonfigurasjon og fremdrift

Mens tidligere forskning involverte komplekse fler-komponent materialer for å oppnå de strukturelle elementene i disse systemene, designet det nye teamet en mikrostruktur-pilar av ett enkelt materiale. Dette enkelt materiale er et fotoresponsivt flytende krystall-elastomer, som muliggjør byggeblokkene å omorientere seg og strukturen å endre form når lys treffer mikrostrukturen.

Når formendringen skjer, skjer det første som skjer at stedet der lys treffer blir gjennomsiktig, noe som tillater lys å trenge dyptere inn i materialet og forårsake enda flere deformasjoner. Deretter deformerer materialet og formen endres, noe betyr at et nytt sted på pilaren blir utsatt for lys og endrer form også.

Dette prosessen muliggjør mikrostrukturen å fremdrive i en syklus av bevegelse.

Shucong Li er en doktorgradsstudent i avdelingen for kjemi og kjemisk biologi ved Harvard, samt med-forfatter av artikkelen.

“Denne interne og eksterne tilbakemeldingsløkken gir oss selvregulerende materiale. Når du slår på lyset, gjør det all sin egen jobb,” sa Li.

Materialet går tilbake til sin opprinnelige form når lyset slås av. Fordi materialet kan twist og endre bevegelse med sin form, kan de enkleste strukturer omkonfigureres og justeres med ubegrensede muligheter.

Michael M. Lurch er en postdoktorand ved Aizenberg Lab og med-forfatter av artikkelen.

“Vi viste at vi kan programmere koreografien til denne dynamiske dansen ved å tilpasse en rekke parametre, inkludert belysningsvinkel, lysintensitet, molekylær orientering, mikrostruktur-geometri, temperatur og strålingsintervall og varighet,” sa Lerch.

Teamet demonstrerte også hvordan pilarene samhandler med hverandre som en del av en array.

“Når disse pilarene er gruppert sammen, samhandler de på veldig komplekse måter fordi hver deformerende pilar kaster en skygge på sin nabo, som endrer seg gjennom deformasjonsprosessen,” sa Li. “Programmering av hvordan disse skygge-medierte selv-eksponeringer endrer seg og samhandler dynamisk med hverandre, kan være nyttig for slike anvendelser som dynamisk informasjonskryptering.”

“Det enorme design-rommet for individuelle og kollektive bevegelser er potensielt transformasjonelt for myke roboter, mikro-gangere, sensorer og robuste informasjonskrypteringssystemer,” la Aizenberg til.

Forskningen inkluderte også med-forfattere James T. Waters, Bolei Deng, Reese S. Martens, Yuxing Yao, Do Yoon Kim, Katia Bertoldi, Alison Grinthal og Anna C. Balazs.