Forskare skapar självgående konstgjorda cilier

Forskare vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har lyckats utveckla en självgående, programmerbar konstgjord cili. Den nya framstegen kommer efter år av försök från forskare att konstruera små, konstgjorda cilier för miniatyrrobotiska system. De konstgjorda cilierna kan hjälpa sådana robotiska system att utföra mycket komplexa rörelser som böjning, vridning och omvändning.

Forskningen publicerades i Nature.

Konstruktion av mikrostrukturer

Traditionellt kräver konstruktionen av mikrostrukturer flera steg och olika stimuli för att skapa komplexa rörelser, vilket har begränsat deras breda tillämpningar.

De nyligen utvecklade mikroskalastrukturerna kan användas för många tillämpningar, inklusive mjuk robotik, biokompatibla medicinska enheter och dynamisk informationskryptering.

Joanna Aizenberg är Army Smith Berylson-professor i materialvetenskap och professor i kemi och kemisk biologi vid SEAS. Hon är också senior författare till artikeln.

“Innovationer inom adaptiva självreglerande material som kan utföra en mängd olika programmerade rörelser representerar ett mycket aktivt område, som hanteras av tvärvetenskapliga team av forskare och ingenjörer”, sa Aizenberg. “Framsteg som uppnås inom detta område kan påverka sättet vi designar material och enheter för en mängd tillämpningar, inklusive robotik, medicin och informations-teknik.”

Att möjliggöra att strukturen omkonfigureras och propellerar

Medan tidigare forskning involverade komplexa multikomponentmaterial för att uppnå de strukturella elementen i dessa system, designade det nya teamet en mikrostrukturpelare tillverkad av ett enda material. Detta material är ett fotoresponsivt flytande kristall-elastomer, som möjliggör att byggnadsblocken omorienterar sig och att strukturen förändrar form när ljus träffar mikrostrukturen.

När formförändringen sker, är den första sak som händer att den plats där ljuset träffar blir genomskinlig, vilket tillåter ljus att tränga djupare in i materialet och orsaka ytterligare deformationer. Efter det deformerar materialet och formen förändras, vilket innebär att en ny plats på pelaren utsätts för ljus och förändrar form också.

Denna process möjliggör att mikrostrukturen propellerar i en cykel av rörelse.

Shucong Li är en doktorand i avdelningen för kemi och kemisk biologi vid Harvard, samt medförfattare till artikeln.

“Denna interna och externa återkoppling ger oss ett självreglerande material. När du slår på ljuset, gör det allt sitt eget arbete”, sa Li.

Materialet återgår sedan till sin ursprungliga form när ljuset slås av. Eftersom materialet kan vrida och förändra rörelse med sin form, kan de enklaste strukturerna omkonfigureras och justeras med oändliga möjligheter.

Michael M. Lurch är en postdoktorand i Aizenbergs laboratorium och medförfattare till artikeln.

“Vi visade att vi kan programmera koreografin för denna dynamiska dans genom att anpassa en mängd parametrar, inklusive belysningsvinkel, ljusintensitet, molekylär orientering, mikrostruktur geometri, temperatur och strålningsintervall och varaktighet”, sa Lerch.

Teamet visade också hur pelarna interagerar med varandra som en del av en matris.

“När dessa pelare grupperas tillsammans, interagerar de på mycket komplexa sätt eftersom varje deformerad pelare kastar en skugga på sin granne, som förändras under hela deformationsprocessen”, sa Li. “Att programmera hur dessa skuggmedierade självexponeringar förändras och interagerar dynamiskt med varandra kan vara användbart för sådana tillämpningar som dynamisk informationskryptering.”

“Det stora designutrymmet för individuella och kollektiva rörelser är potentiellt transformerande för mjuk robotik, mikrogångare, sensorer och robusta informationskrypteringssystem”, tillade Aizenberg.

Forskningen inkluderade också medförfattare James T. Waters, Bolei Deng, Reese S. Martens, Yuxing Yao, Do Yoon Kim, Katia Bertoldi, Alison Grinthal och Anna C. Balazs.