Výskumníci vytvárajú samohybné umelé riasy

Výskumníci z Harvardskej školy inžinierstva a aplikovaných vied Johna A. Paulsona (SEAS) úspešne vyvinuli samohybnú, programovateľnú umelú mihalnicu. Nový pokrok prichádza po rokoch, keď sa vedci pokúšali skonštruovať malé, umelé riasinky pre miniatúrne robotické systémy. Umelé riasinky by mohli pomôcť takýmto robotickým systémom vykonávať veľmi zložité pohyby, ako je ohýbanie, krútenie a cúvanie. 

Výskum bol publikovaný v roku XNUMX príroda. 

Konštrukcia mikroštruktúr

Konštrukcia mikroštruktúr si tradične vyžaduje viacstupňové výrobné procesy a rôzne podnety, aby sa vytvorili zložité pohyby, čo obmedzuje ich široké použitie. 

Novo vyvinuté štruktúry v mikrónovom meradle by sa mohli použiť pre mnohé aplikácie vrátane mäkkej robotiky, biokompatibilných lekárskych zariadení a dynamického šifrovania informácií. 

Joanna Aizenberg je profesorkou materiálovej vedy Army Smith Berylson a profesorkou chémie a chemickej biológie na SEAS. Je tiež vedúcou autorkou článku. 

"Inovácie v adaptívnych samoregulačných materiáloch, ktoré sú schopné rôznorodého súboru naprogramovaných pohybov, predstavujú veľmi aktívnu oblasť, ktorej sa venujú interdisciplinárne tímy vedcov a inžinierov," povedal Aizenberg. „Pokrok dosiahnutý v tejto oblasti môže výrazne ovplyvniť spôsob, akým navrhujeme materiály a zariadenia pre rôzne aplikácie vrátane robotiky, medicíny a informačných technológií.“

Povolenie rekonfigurácie a pohonu konštrukcie

Zatiaľ čo predchádzajúci výskum zahŕňal zložité viaczložkové materiály na dosiahnutie štruktúrnych prvkov týchto systémov, nový tím navrhol mikroštruktúrny stĺp vyrobený z jedného materiálu. Tento jediný materiál je fotoresponzívny elastomér z tekutých kryštálov, ktorý umožňuje opätovné zarovnanie stavebných blokov a zmenu tvaru štruktúry, keď svetlo dopadne na mikroštruktúru. 

Keď dôjde k zmene tvaru, prvá vec, ktorá sa stane, je miesto, kde dopadá svetlo, priehľadné, čo umožňuje svetlu preniknúť hlbšie do materiálu a spôsobiť ešte väčšie deformácie. Potom sa materiál deformuje a mení tvar, čo znamená, že nové miesto na stĺpe je vystavené svetlu a tiež mení tvar. 

Tento proces umožňuje mikroštruktúre poháňať sa v cykle pohybu. 

Shucong Li je postgraduálny študent na Katedre chémie a chemickej biológie na Harvarde, ako aj spoluautor článku. 

„Táto vnútorná a vonkajšia spätná väzba nám poskytuje samoregulačný materiál. Akonáhle zapnete svetlo, robí všetku svoju prácu,“ povedal Li.

Materiál sa potom po zhasnutí svetla vráti do pôvodného tvaru. Pretože sa materiál môže krútiť a meniť pohyb svojim tvarom, najjednoduchšie štruktúry možno prestavovať a ladiť s nekonečnými možnosťami. 

Michael M. Lurch je postdoktorandom v laboratóriu Aizenberg Lab a spoluautorom článku. 

"Ukázali sme, že dokážeme naprogramovať choreografiu tohto dynamického tanca prispôsobením radu parametrov, vrátane uhla osvetlenia, intenzity svetla, usporiadania molekúl, geometrie mikroštruktúry, teploty a intervalov a trvania ožarovania," povedal Lerch. 

Tím tiež ukázal, ako stĺpy navzájom spolupracujú ako súčasť poľa.

"Keď sú tieto stĺpy zoskupené, interagujú veľmi zložitým spôsobom, pretože každý deformujúci sa stĺp vrhá tieň na svojho suseda, ktorý sa mení počas procesu deformácie, " povedal Li. "Programovanie toho, ako sa tieto tieňom sprostredkované sebaexpozície menia a navzájom dynamicky interagujú, by mohlo byť užitočné pre také aplikácie, ako je dynamické šifrovanie informácií."

„Rozsiahly dizajnový priestor pre individuálne a kolektívne pohyby je potenciálne transformačný pre mäkkú robotiku, mikro-chodidlá, senzory a robustné systémy na šifrovanie informácií,“ dodal Aizenberg.

Do výskumu sa zapojili aj spoluautori James T. Waters, Bolei Deng, Reese S. Martens, Yuxing Yao, Do Yoon Kim, Katia Bertoldi, Alison Grinthal a Anna C. Balazs.