研究人员创建自驱动人工纤毛

哈佛约翰·A·保尔森工程和应用科学学院（SEAS）的研究人员成功开发了自驱动、可编程的人工纤毛。这种新进展是在科学家尝试为微型机器人系统设计微小的人工纤毛多年后取得的。人工纤毛可以帮助这些机器人系统执行弯曲、扭转和反转等复杂运动。

该研究发表在Nature上。

微结构的构建

传统上，构建微结构需要多步骤的制造过程和各种刺激，以创建复杂的运动，这限制了它们的广泛应用。

新开发的微米级结构可用于多种应用，包括软机器人、生物相容的医疗设备和动态信息加密。

Joanna Aizenberg 是 SEAS 的 Army Smith Berylson 材料科学教授和化学与化学生物学教授。她也是论文的首席作者。

“能够进行多种编程运动的自适应自我调节材料的创新是一个非常活跃的领域，正在被科学家和工程师的跨学科团队解决，”Aizenberg 说。“在这个领域取得的进展可能会显著影响我们为各种应用（包括机器人、医学和信息技术）设计材料和设备的方式。”

使结构能够重新配置和推进

虽然之前的研究涉及复杂的多组件材料来实现这些系统的结构元素，但新团队设计了一个由单一材料制成的微结构柱。这种单一材料是一种光响应液晶弹性体，它使构建块能够重新排列，结构能够改变形状，当光线照射到微结构时。

当形状变化发生时，首先发生的事情是光线照射的位置变得透明，这允许光线更深地穿透材料并引起更多的变形。之后，材料变形，形状变化，这意味着柱子上的一个新位置暴露在光线下并改变形状。

这个过程使微结构能够以运动周期推进。

Shucong Li 是哈佛化学和化学生物学系的研究生，也是论文的共同第一作者。

“这种内部和外部反馈环路给了我们自我调节的材料。一旦你打开光，材料就会自己完成所有工作，”Li 说。

当光线关闭时，材料会恢复到其原始形状。由于材料可以扭曲和改变运动形状，因此最简单的结构可以重新配置和调谐，具有无穷的可能性。

Michael M. Lurch 是 Aizenberg 实验室的博士后研究员，也是论文的共同第一作者。

“我们展示了如何通过调整一系列参数（包括照明角度、光强度、分子排列、微结构几何形状、温度和辐射间隔和持续时间）来编程这种动态舞蹈的编排，”Lerch 说。

该团队还展示了如何让这些柱子作为一个数组相互作用。

“当这些柱子被分组在一起时，它们以非常复杂的方式相互作用，因为每个变形的柱子在其邻居上投下阴影，这种阴影在变形过程中会发生变化，”Li 说。“编程这些阴影介导的自我暴露如何变化和动态相互作用可能对动态信息加密等应用有用。”

“个体和集体运动的巨大设计空间可能会对软机器人、微行走器、传感器和强大的信息加密系统产生变革性的影响，”Aizenberg 补充说。

该研究还包括共同作者 James T. Waters、Bolei Deng、Reese S. Martens、Yuxing Yao、Do Yoon Kim、Katia Bertoldi、Alison Grinthal 和 Anna C. Balazs。