Cercetătorii creează cili artificiali auto-propulsați

Cercetătorii de la Școala de Inginerie și Științe Aplicate Harvard John A. Paulson (SEAS) au dezvoltat cu succes cili artificiali auto-propulsați și programabili. Această nouă realizare vine după ani de încercări ale oamenilor de știință de a ingineriza cili artificiali mici pentru sisteme robotice miniaturale. Ciliile artificiali ar putea ajuta astfel de sisteme robotice să execute mișcări complexe, cum ar fi îndoirea, răsucirea și inversarea.

Cercetarea a fost publicată în Nature.

Construcția de microstructuri

În mod tradițional, construcția de microstructuri necesită procese de fabricație multietapă și diverse stimuli pentru a crea mișcări complexe, ceea ce a limitat aplicațiile lor pe scară largă.

Noile structuri micronice dezvoltate ar putea fi utilizate pentru multe aplicații, inclusiv robotică moale, dispozitive medicale biocompatibile și criptare dinamică a informațiilor.

Joanna Aizenberg este profesor de știința materialelor și profesor de chimie și biologie chimică la SEAS. Ea este și autorul principal al articolului.

“Inovațiile în materiale auto-regulate adaptabile, care sunt capabile de o varietate de mișcări programate, reprezintă un domeniu foarte activ, care este abordat de echipe interdisciplinare de oameni de știință și ingineri”, a spus Aizenberg. “Progresele realizate în acest domeniu pot avea un impact semnificativ asupra modului în care proiectăm materiale și dispozitive pentru o varietate de aplicații, inclusiv robotică, medicină și tehnologii informaționale.”

Permiterea structurii de a se reconfigura și propulsa

În timp ce cercetările anterioare au implicat materiale complexe multicomponente pentru a obține elementele structurale ale acestor sisteme, noua echipă a proiectat o microstructură pilon dintr-un singur material. Acest material este un elastomer lichid fotoresponsiv, care permite blocurilor de construcție să se realinieze și structurii să-și schimbe forma atunci când lumina lovește microstructura.

Când are loc schimbarea formei, primul lucru care se întâmplă este că locul în care lumina lovește devine transparent, ceea ce permite luminii să pătrundă mai adânc în material și să provoace deformări suplimentare. După aceea, materialul se deformează și forma se schimbă, ceea ce înseamnă că un nou punct de pe pilon este expus la lumină și se schimbă forma de asemenea.

Acest proces permite microstructurii să se propulseze într-un ciclu de mișcare.

Shucong Li este student doctorand în Departamentul de Chimie și Biologie Chimică de la Harvard, precum și co-autor principal al articolului.

“Acest buclă de feedback intern și extern ne oferă un material auto-reglator. Odată ce aprindeți lumina, face toată munca de unul singur”, a spus Li.

Materialul revine apoi la forma sa originală atunci când lumina se stinge. Deoarece materialul poate să se răsucească și să-și schimbe mișcarea cu forma sa, structurile cele mai simple pot fi reconfigurate și ajustate cu posibilități infinite.

Michael M. Lurch este cercetător postdoctoral în Laboratorul Aizenberg și co-autor principal al articolului.

“Am demonstrat că putem programa coregrafia acestui dans dinamic prin ajustarea unei game de parametri, inclusiv unghiul de iluminare, intensitatea luminii, alinierea moleculară, geometria microstructurii, temperatura și intervalele și durata de iradiere”, a spus Lerch.

Echipa a demonstrat, de asemenea, cum interacționează pilonii unii cu alții ca parte a unei matrice.

“Când acești piloni sunt grupați împreună, interacționează în moduri foarte complexe, deoarece fiecare pilon care se deformează aruncă o umbră pe vecinul său, care se schimbă pe tot parcursul procesului de deformare”, a spus Li. “Programarea modului în care aceste auto-expuneri mediate de umbră se schimbă și interacționează dinamic unele cu altele ar putea fi utilă pentru astfel de aplicații, cum ar fi criptarea dinamică a informațiilor.”

“Vastul spațiu de proiectare pentru mișcări individuale și colective este potențial transformativ pentru robotică moale, mers pe micro-nivel, senzori și sisteme robuste de criptare a informațiilor”, a adăugat Aizenberg.

Cercetarea a inclus, de asemenea, co-autorii James T. Waters, Bolei Deng, Reese S. Martens, Yuxing Yao, Do Yoon Kim, Katia Bertoldi, Alison Grinthal și Anna C. Balazs.