นักวิจัยสร้างซิลเลียเทียมที่ขับเคลื่อนตัวเอง

นักวิจัยที่โรงเรียนวิศวกรรมและวิทยาศาสตร์ประยุกต์ฮาร์วาร์ด จอห์น เอ. พอลสัน (SEAS) ได้พัฒนาซิลเลียเทียมที่ขับเคลื่อนตัวเองและสามารถโปรแกรมได้สำเร็จ การพัฒนาล่าสุดนี้เกิดขึ้นหลังจากที่นักวิทยาศาสตร์พยายามสร้างซิลเลียเทียมขนาดเล็กสำหรับระบบหุ่นยนต์ขนาดย่อม ซิลเลียเทียมเหล่านี้สามารถช่วยให้ระบบหุ่นยนต์เหล่านั้นเคลื่อนไหวที่ซับซ้อน เช่น การงอ การบิด และการเปลี่ยนทิศทาง

การวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ใน Nature

การก่อสร้างโครงสร้างขนาดเล็ก

โดยทั่วไป การก่อสร้างโครงสร้างขนาดเล็กต้องใช้กระบวนการผลิตหลายขั้นตอนและกระตุ้นหลายอย่างเพื่อสร้างการเคลื่อนไหวที่ซับซ้อน ซึ่งจำกัดการประยุกต์ใช้ในวงกว้าง

โครงสร้างขนาดเล็กที่พัฒนาขึ้นใหม่สามารถใช้ในการใช้งานต่างๆ รวมถึงหุ่นยนต์แบบอ่อน อุปกรณ์ทางการแพทย์ที่เข้ากันได้กับร่างกาย และการเข้ารหัสข้อมูลแบบไดนามิก

โจแอนนา ไอเซนเบิร์ก เป็นศาสตราจารย์แห่งวิทยาลัยวิศวกรรมและวิทยาศาสตร์ประยุกต์ฮาร์วาร์ด และเป็นนักวิจัยหลักของบทความนี้

“นวัตกรรมใน材料ที่สามารถปรับเปลี่ยนและควบคุมตัวเองซึ่งสามารถเคลื่อนไหวได้หลากหลายรูปแบบเป็นสาขาที่มีการพัฒนาอย่างรวดเร็ว ซึ่งได้รับการแก้ไขโดยทีมนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรที่มีความหลากหลาย” ไอเซนเบิร์กกล่าว “ความก้าวหน้าที่ได้รับในสาขานี้อาจส่งผลกระทบอย่างมากต่อการออกแบบวัสดุและอุปกรณ์สำหรับการใช้งานต่างๆ รวมถึงหุ่นยนต์ การแพทย์ และเทคโนโลยีสารสนเทศ”

การทำให้โครงสร้างสามารถเปลี่ยนรูปและขับเคลื่อน

ในขณะที่การวิจัยก่อนหน้านี้ต้องใช้วัสดุหลายส่วนประกอบเพื่อให้ได้องค์ประกอบโครงสร้างของระบบเหล่านี้ ทีมนักวิจัยใหม่ได้ออกแบบเสาโครงสร้างขนาดเล็กจากวัสดุเพียงชนิดเดียว วัสดุนี้เป็นลิควิดคริสตัลอีลาสโตเมอร์ที่ตอบสนองต่อแสง ซึ่งช่วยให้บล็อกการก่อสร้างสามารถจัดเรียงใหม่และเปลี่ยนรูปเมื่อโครงสร้างถูกกระตุ้นโดยแสง

เมื่อรูปทรงเปลี่ยนแปลงไป สิ่งแรกที่เกิดขึ้นคือจุดที่แสงกระทบจะกลายเป็นโปร่งใส ซึ่งช่วยให้แสงสามารถผ่านเข้าไปในเนื้อวัสดุและทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงรูปทรงมากขึ้น หลังจากนั้น วัสดุจะเปลี่ยนรูป และรูปทรงใหม่จะเกิดขึ้น ซึ่งหมายความว่าจุดใหม่บนเสาจะถูกกระตุ้นและเปลี่ยนรูปเช่นกัน

กระบวนการนี้ช่วยให้โครงสร้างขนาดเล็กสามารถเคลื่อนไหวในรอบการเคลื่อนไหว

ชูคอง ลี เป็นนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาในภาควิชาเคมีและชีววิทยาที่ฮาร์วาร์ด และเป็นหนึ่งในผู้เขียนบทความ

“วงจรป้อนกลับภายในและภายนอกนี้ทำให้เรามีวัสดุที่สามารถควบคุมตัวเองได้ เมื่อคุณเปิดแสง มันจะทำงานทั้งหมดด้วยตัวเอง” ลีกล่าว

วัสดุจะกลับไปสู่รูปทรงเดิมเมื่อแสงปิดลง เนื่องจากวัสดุสามารถบิดและเปลี่ยนรูปได้เมื่อรูปทรงเปลี่ยนแปลงไป โครงสร้างที่ง่ายที่สุดสามารถเปลี่ยนรูปและปรับแต่งได้ไม่สิ้นสุด

ไมเคิล เอ็ม. เลิร์ช เป็นนักวิจัยหลังปริญญาเอกในห้องปฏิบัติการของไอเซนเบิร์ก และเป็นหนึ่งในผู้เขียนบทความ

“เราแสดงให้เห็นว่าเราสามารถเขียนโปรแกรมการเต้นรำของการเคลื่อนไหวแบบไดนามิกนี้ได้โดยการปรับพารามิเตอร์ต่างๆ รวมถึงมุมแสง ความเข้มของแสง การจัดเรียงโมเลกุล รูปร่างของโครงสร้างอุณหภูมิ และช่วงเวลาการส่องแสง” เลิร์ชกล่าว

ทีมนักวิจัยยังแสดงให้เห็นว่าเสาเหล่านี้โต้ตอบกันเมื่อเป็นส่วนหนึ่งของแถว

“เมื่อเสาเหล่านี้ถูกจัดกลุ่มเข้าด้วยกัน พวกมันโต้ตอบกันในหลายวิธีเนื่องจากเสาที่เปลี่ยนรูปแต่ละอันจะทอดเงาให้กับเสาที่อยู่ข้างๆ ซึ่งจะเปลี่ยนแปลงไปตลอดกระบวนการเปลี่ยนรูป” ลีกล่าว “การเขียนโปรแกรมวิธีการที่เงาที่ถูกทอดโดยการเปลี่ยนรูปเหล่านี้จะเปลี่ยนแปลงและโต้ตอบกันอย่างไรอาจมีประโยชน์สำหรับการใช้งาน เช่น การเข้ารหัสข้อมูลแบบไดนามิก”

“พื้นที่การออกแบบที่กว้างขวางสำหรับการเคลื่อนไหวส่วนบุคคลและร่วมกันเป็นศักยภาพที่เปลี่ยนแปลงได้สำหรับหุ่นยนต์แบบอ่อน ผู้เดินเล็กๆ อุปกรณ์ตรวจจับ และระบบเข้ารหัสข้อมูลที่แข็งแรง” ไอเซนเบิร์กกล่าวเสริม

การวิจัยนี้ยังรวมถึงผู้เขียนร่วม James T. Waters, Bolei Deng, Reese S. Martens, Yuxing Yao, Do Yoon Kim, Katia Bertoldi, Alison Grinthal และ Anna C. Balazs