Các nhà nghiên cứu tạo ra lông mao nhân tạo tự di chuyển

Các nhà nghiên cứu tại Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng Harvard John A. Paulson (SEAS) đã thành công trong việc phát triển lông mao nhân tạo tự di chuyển và lập trình được. Sự tiến bộ mới này đến sau nhiều năm các nhà khoa học cố gắng thiết kế lông mao nhân tạo nhỏ cho các hệ thống robot mini. Lông mao nhân tạo có thể giúp các hệ thống robot này thực hiện các chuyển động phức tạp như uốn, xoắn và đảo ngược.

Nghiên cứu này đã được công bố trên Nature.

Xây dựng cấu trúc vi mô

Truyền thống, việc xây dựng cấu trúc vi mô đòi hỏi phải có các quá trình sản xuất nhiều bước và các kích thích khác nhau để tạo ra các chuyển động phức tạp, điều này đã hạn chế ứng dụng rộng rãi của chúng.

Các cấu trúc vi mô mới được phát triển có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng, bao gồm robot mềm, thiết bị y tế tương thích sinh học và mã hóa thông tin động.

Joanna Aizenberg là giáo sư khoa học vật liệu và hóa học tại SEAS. Cô cũng là tác giả chính của bài báo.

“Các đổi mới trong vật liệu tự điều chỉnh thích ứng có khả năng thực hiện nhiều chuyển động lập trình khác nhau đại diện cho một lĩnh vực rất hoạt động, đang được giải quyết bởi các nhóm khoa học và kỹ thuật liên ngành,” Aizenberg nói. “Các tiến bộ đạt được trong lĩnh vực này có thể có tác động đáng kể đến cách chúng ta thiết kế vật liệu và thiết bị cho nhiều ứng dụng, bao gồm robot, y học và công nghệ thông tin.”

Kích hoạt cấu trúc để tái cấu hình và đẩy

Trong khi nghiên cứu trước đây liên quan đến vật liệu đa thành phần phức tạp để đạt được các yếu tố cấu trúc của các hệ thống này, nhóm nghiên cứu mới đã thiết kế một cột vi mô được làm từ một vật liệu duy nhất. Vật liệu này là một elastomer tinh thể lỏng nhạy sáng, cho phép các khối xây dựng tái định hướng và cấu trúc thay đổi hình dạng khi ánh sáng chiếu vào vi cấu trúc.

Khi sự thay đổi hình dạng xảy ra, điều đầu tiên xảy ra là điểm mà ánh sáng chiếu vào trở nên trong suốt, cho phép ánh sáng thâm nhập sâu hơn vào vật liệu và gây ra nhiều biến dạng hơn. Sau đó, vật liệu biến dạng và hình dạng thay đổi, có nghĩa là một điểm mới trên cột được暴露 cho ánh sáng và thay đổi hình dạng cũng như vậy.

Quá trình này cho phép vi cấu trúc di chuyển trong một chu kỳ chuyển động.

Shucong Li là một sinh viên sau đại học tại Khoa Hóa học và Sinh học Hóa học tại Harvard, cũng như là đồng tác giả đầu tiên của bài báo.

“Vòng phản hồi nội bộ và ngoại bộ này mang lại cho chúng ta vật liệu tự điều chỉnh. Một khi bạn bật ánh sáng, nó sẽ thực hiện tất cả công việc của mình,” Li nói.

Vật liệu sau đó sẽ trở lại hình dạng ban đầu khi ánh sáng tắt. Bởi vì vật liệu có thể xoắn và thay đổi chuyển động với hình dạng của nó, các cấu trúc đơn giản nhất có thể được tái cấu hình và điều chỉnh với vô số khả năng.

Michael M. Lurch là một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Phòng thí nghiệm Aizenberg và là đồng tác giả đầu tiên của bài báo.

“Chúng tôi đã chỉ ra rằng chúng tôi có thể lập trình cho sự di chuyển của điệu nhảy động này bằng cách điều chỉnh một loạt các tham số, bao gồm góc chiếu sáng, cường độ ánh sáng, sự sắp xếp phân tử, hình học vi cấu trúc, nhiệt độ và khoảng thời gian chiếu sáng,” Lerch nói.

Đội ngũ cũng đã chứng minh cách các cột tương tác với nhau như một phần của mảng.

“Khi các cột này được nhóm lại với nhau, chúng tương tác với nhau theo những cách rất phức tạp vì mỗi cột biến dạng sẽ tạo ra bóng trên láng giềng của nó, điều này thay đổi trong suốt quá trình biến dạng,” Li nói. “Lập trình cách thức các sự tự暴露 bóng này thay đổi và tương tác động với nhau có thể hữu ích cho các ứng dụng như mã hóa thông tin động.”

“Không gian thiết kế rộng lớn cho chuyển động cá nhân và tập thể có khả năng thay đổi đáng kể cho robot mềm, người đi bộ vi mô, cảm biến và hệ thống mã hóa thông tin mạnh mẽ,” Aizenberg thêm.

Nghiên cứu cũng bao gồm các đồng tác giả James T. Waters, Bolei Deng, Reese S. Martens, Yuxing Yao, Do Yoon Kim, Katia Bertoldi, Alison Grinthal và Anna C. Balazs.