Naukowcy tworzą samozapylane sztuczne rzęsy

Naukowcy z Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) opracowali samozapylane, programowalne sztuczne rzęsy. Ten nowy przełom nastąpił po latach prób inżynierów, aby stworzyć małe, sztuczne rzęsy dla miniaturowych systemów robotycznych. Sztuczne rzęsy mogą pomóc takim systemom robotycznym wykonywać bardzo złożone ruchy, takie jak zginanie, skręcanie i odwracanie.

Badania zostały opublikowane w Nature.

Budowa mikrostruktur

Tradycyjnie, budowa mikrostruktur wymaga wieloetapowych procesów produkcyjnych i różnych bodźców, aby stworzyć złożone ruchy, co ograniczało ich szerokie zastosowanie.

Nowo opracowane struktury mikroskalowe mogą być wykorzystywane w wielu aplikacjach, w tym w robotyce miękkiej, biokompatybilnych urządzeniach medycznych i dynamicznym szyfrowaniu informacji.

Joanna Aizenberg jest profesorem nauk o materiałach i chemii oraz profesorem chemii i biologii chemicznej na SEAS. Jest również seniorem autorem artykułu.

“Innowacje w adaptacyjnych, samoregulujących się materiałach, które są w stanie wykonywać różnorodne programowane ruchy, reprezentują bardzo aktywny obszar, który jest podejmowany przez interdyscyplinarne zespoły naukowców i inżynierów”, powiedział Aizenberg. “Postępy osiągnięte w tym obszarze mogą znacząco wpłynąć na sposób, w jaki projektujemy materiały i urządzenia dla różnych aplikacji, w tym robotyki, medycyny i technologii informacyjnych”.

Włączanie struktury do rekonfigurowania i napędzania

Podczas gdy poprzednie badania obejmowały złożone materiały wieloskładnikowe, aby osiągnąć elementy strukturalne tych systemów, nowy zespół zaprojektował mikrostrukturę słupową zbudowaną z jednego materiału. Ten materiał to fotoresponsywny elastomer ciekłokrystaliczny, który umożliwia ponowne wyalignowanie i zmianę kształtu struktury, gdy światło uderza w mikrostrukturę.

Gdy następuje zmiana kształtu, pierwszą rzeczą, która się dzieje, jest to, że miejsce, w którym światło uderza, staje się przejrzyste, co pozwala światłu przenikać głębiej do materiału i powodować dalsze deformacje. Następnie materiał ulega deformacji i zmianie kształtu, co oznacza, że nowe miejsce na słupie jest narażone na światło i zmienia kształt.

Ten proces umożliwia mikrostrukturze napędzanie w cyklu ruchu.

Shucong Li jest studentem doktoranckim w Departamencie Chemii i Biologii Chemicznej na Harvardzie, a także współautorem artykułu.

“Ten wewnętrzny i zewnętrzny obiekt sprzężenia zwrotnego daje nam samoregulujący materiał. Raz, gdy włączysz światło, robi on wszystko sam”, powiedział Li.

Materiał następnie wraca do swojego pierwotnego kształtu, gdy światło gaśnie. Ponieważ materiał może skręcać i zmieniać ruch ze swoim kształtem, najprostsze struktury mogą być rekonfigurowane i dostrojone z nieograniczoną ilością możliwości.

Michael M. Lurch jest stażystą w laboratorium Aizenberg i współautorem artykułu.

“Udowodniliśmy, że możemy zaprogramować choreografię tego dynamicznego tańca, dostosowując zakres parametrów, w tym kąt oświetlenia, intensywność światła, wyalignowanie molekularne, geometrię mikrostruktury, temperaturę i interwały i czas naświetlania”, powiedział Lerch.

Zespół również zademonstrował, w jaki sposób słupki interaktywnie oddziałują ze sobą jako część tablicy.

“Gdy te słupki są grupowane razem, interaktywnie oddziałują w bardzo złożony sposób, ponieważ każdy deformujący się słupek rzuca cień na sąsiada, który zmienia się podczas procesu deformacji”, powiedział Li. “Programowanie, w jaki sposób te cienie samozapylają się i dynamicznie interaktywnie oddziałują, może być przydatne w takich aplikacjach, jak dynamiczne szyfrowanie informacji”.

“Ogromna przestrzeń projektowa dla indywidualnych i zbiorowych ruchów jest potencjalnie przełomowa dla robotyki miękkiej, mikro-chodzących, czujników i wytrzymałych systemów szyfrowania informacji”, dodał Aizenberg.

Badania również obejmowały współautorów Jamesa T. Watersa, Bolei Deng, Reese S. Martens, Yuxing Yao, Do Yoon Kim, Katię Bertoldi, Alison Grinthal i Annę C. Balazs.