Naukowcy szkolą plastik, jak chodzić pod światłem

Naukowcy z Finlandii pracują obecnie nad opracowaniem i „trenowaniem” kawałków plastiku, aby można było nimi sterować za pomocą światła. To pierwszy raz, kiedy syntetyczny siłownik, w tym przypadku termoplastyczny, jest w stanie „nauczyć się” wykonywania nowej czynności, w tym przypadku chodzenia, w oparciu o swoje przeszłe doświadczenia, a nie program komputerowy.

Tworzywa sztuczne w tym projekcie wykonane są z termoreaktywnej sieci polimerów ciekłokrystalicznych i warstwy barwnika. Są to miękkie siłowniki, które są w stanie przekształcić energię w ruch mechaniczny. Siłownik początkowo reagował tylko na ciepło, ale to się zmienia, ponieważ światło można powiązać z ciepłem. Dzięki temu tworzywo sztuczne reaguje na światło. Siłownik jest dość elastyczny i wygina się w podobny sposób, w jaki człowiek zgina palec wskazujący. Kiedy na siłownik zostanie rzutowane światło i w związku z tym się nagrzeje, „chodzi” podobnie jak robak i porusza się z prędkością 1 mm/s, czyli z taką samą prędkością jak ślimak. 

Arri Priimägi jest starszym autorem Uniwersytetu w Tampere.

„Nasze badania zasadniczo stawiają pytanie, czy materiał nieożywiony może w jakiś sposób uczyć się w bardzo uproszczonym sensie” – mówi. „Mój kolega, profesor Olli Ikkala z Uniwersytetu Aalto, postawił pytanie: czy materiały mogą się uczyć i co to znaczy, że materiały mogą się uczyć? Następnie połączyliśmy siły w ramach tych badań, aby stworzyć roboty, które w jakiś sposób uczyły się nowych sztuczek”. 

Inni członkowie zespołu badawczego to badacze ze stopniem doktora Hao Zeng z Uniwersytetu w Tampere i Hang Zhang z Uniwersytetu Aalto. 

Istnieje również proces kondycjonowania, który wiąże światło z ciepłem i polega na umożliwieniu rozproszenia barwnika na powierzchni w całym siłowniku, co powoduje zmianę koloru na niebieski. Zwiększa się ogólna absorpcja światła, a także zwiększa się efekt fototermiczny. Temperatura siłownika również wzrasta, a następnie wygina się pod wpływem napromieniowania. 

Według Priimägi zespół zainspirował się innym dobrze znanym eksperymentem. 

„Badanie, które przeprowadziliśmy, zostało zainspirowane eksperymentem Pawłowa z psem” – mówi Priimägi.

W tym słynnym eksperymencie pies ślinił się na widok jedzenia, a Pawłow zadzwonił dzwonkiem przed podaniem mu jedzenia. Powtórzyło się to kilka razy, aż pies w końcu skojarzył jedzenie z dzwonkiem i zaczął się ślinić, gdy usłyszał dzwonek. 

„Jeśli pomyślisz o naszym systemie, ciepło odpowiada jedzeniu, a światło odpowiada dzwonkowi w eksperymencie Pawłowa”.

„Wielu powie, że posuwamy się z tą analogią za daleko” – mówi Priimägi. „W pewnym sensie ci ludzie mają rację, ponieważ w porównaniu z systemami biologicznymi materiał, który badaliśmy, jest bardzo prosty i ograniczony. Ale we właściwych okolicznościach analogia jest zachowana.

Zespół zwiększy teraz złożoność i sterowność systemów, co pomoże znaleźć pewne granice analogii, które można wyciągnąć z systemami biologicznymi. 

„Naszym celem jest zadawanie pytań, które być może pozwolą nam spojrzeć na materiały nieożywione z nowego światła”.

Systemy potrafią więcej niż tylko chodzić. Są w stanie „rozpoznawać” i reagować na różne długości fal światła, które odpowiadają powłoce ich barwnika. Dzięki temu materiał staje się przestrajalnym, miękkim mikrorobotem, którym można zdalnie sterować, co jest niezwykle przydatne w zastosowaniach biomedycznych. 

„Myślę, że jest tam wiele fajnych aspektów. Te zdalnie sterowane sieci ciekłokrystaliczne zachowują się jak małe sztuczne mięśnie” – mówi Priimägi. „Mam nadzieję i wierzę, że istnieje wiele sposobów, w jakie mogą one w przyszłości przynieść korzyści biomedycynie, między innymi takim dziedzinom, jak fotonika”.