Pesquisadores Criam Cílios Artificiais Auto-Propulsados

Pesquisadores da Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) desenvolveram com sucesso cílios artificiais auto-propulsados e programáveis. O novo avanço vem após anos de cientistas tentando engenharia de cílios artificiais minúsculos para sistemas robóticos miniaturizados. Os cílios artificiais poderiam ajudar esses sistemas robóticos a realizar movimentos complexos, como dobrar, torcer e reverter.

A pesquisa foi publicada em Nature.

Construção de Microestruturas

Tradionalmente, a construção de microestruturas requer processos de fabricação em várias etapas e vários estímulos para criar movimentos complexos, o que limitou suas aplicações em larga escala.

As novas estruturas micron-scale desenvolvidas poderiam ser usadas em muitas aplicações, incluindo robótica suave, dispositivos médicos biocompatíveis e criptografia de informações dinâmicas.

Joanna Aizenberg é a professora Army Smith Berylson de Ciência de Materiais e Professora de Química e Biologia Química na SEAS. Ela também é a autora sênior do artigo.

“Inovações em materiais auto-regulados adaptáveis que são capazes de uma variedade de movimentos programados representam um campo muito ativo, que está sendo abordado por equipes interdisciplinares de cientistas e engenheiros”, disse Aizenberg. “Avanços alcançados neste campo podem ter um impacto significativo nas formas como projetamos materiais e dispositivos para uma variedade de aplicações, incluindo robótica, medicina e tecnologias de informação”.

Habilitando a Estrutura para Reconfigurar e Propulsar

Enquanto pesquisas anteriores envolviam materiais multicomponentes complexos para alcançar os elementos estruturais desses sistemas, a nova equipe projetou um pilar de microestrutura feito de um único material. Esse material é um elastômero líquido cristalino fotoresponsivo, que permite que os blocos de construção se realinhem e a estrutura mude de forma quando a luz atinge a microestrutura.

Quando a mudança de forma ocorre, a primeira coisa que acontece é que o local onde a luz atinge se torna transparente, o que permite que a luz penetre mais profundamente no material e cause mais deformações. Depois disso, o material se deforma e a forma muda, significando que um novo local no pilar é exposto à luz e muda de forma também.

Esse processo permite que a microestrutura se propulse em um ciclo de movimento.

Shucong Li é um estudante de pós-graduação no Departamento de Química e Biologia Química de Harvard, bem como co-autor principal do artigo.

“Esse loop de feedback interno e externo nos dá um material auto-regulador. Uma vez que você liga a luz, ele faz todo o seu próprio trabalho”, disse Li.

O material então reverte para sua forma original quando a luz é desligada. Como o material pode torcer e mudar de movimento com sua forma, as estruturas mais simples podem ser reconfiguradas e ajustadas com possibilidades infinitas.

Michael M. Lurch é um fellow de pós-doutorado no Laboratório Aizenberg e co-autor principal do artigo.

“Mostramos que podemos programar a coreografia dessa dança dinâmica ajustando uma variedade de parâmetros, incluindo ângulo de iluminação, intensidade de luz, alinhamento molecular, geometria de microestrutura, temperatura e intervalos e duração de irradiação”, disse Lerch.

A equipe também demonstrou como os pilares interagem entre si como parte de uma matriz.

“Quando esses pilares são agrupados, eles interagem de maneiras muito complexas porque cada pilar deformado projeta uma sombra sobre seu vizinho, que muda ao longo do processo de deformação”, disse Li. “Programar como essas exposições auto-mediadas por sombra mudam e interagem dinamicamente pode ser útil para aplicações como criptografia de informações dinâmicas.”

“O vasto espaço de design para movimentos individuais e coletivos é potencialmente transformador para robótica suave, micro-caminhantes, sensores e sistemas de criptografia de informações robustos”, acrescentou Aizenberg.

A pesquisa também incluiu co-autores James T. Waters, Bolei Deng, Reese S. Martens, Yuxing Yao, Do Yoon Kim, Katia Bertoldi, Alison Grinthal e Anna C. Balazs.