Forskere udvikler lysdrevet aktuator med højt drejningsmoment

Hvis du ser bladene på en plante længe nok, du kan se dem skifte og vende sig mod sollys i løbet af dagen. Det sker langsomt, men helt sikkert.

Nogle menneskeskabte materialer kan efterligne denne langsomme, men stabile reaktion på lysenergi, normalt udløst af lasere eller fokuseret omgivende lys. Ny forskning fra University of Pittsburgh og Carnegie Mellon University har opdaget en måde at fremskynde denne effekt nok til, at dens ydeevne kan konkurrere med elektriske og pneumatiske systemer.

"Vi ønskede at skabe maskiner, hvor lys er den eneste kilde til energi og retning, " forklarede M. Ravi Shankar, professor i industriteknik og seniorforfatter af papiret. "Udfordringen er, at selvom vi kunne få noget bevægelse og aktivering med lysdrevne polymerer, det var en for langsom reaktion til at være praktisk."

Når polymerarket er fladt, lyset animerer det langsomt, krumning eller krølning over tid. Forskerne fandt ud af, at ved at forme polymeren til en buet form, som en skal, bøjningen skete meget hurtigere og genererede mere drejningsmoment.

"Hvis du vil flytte noget, som at dreje en kontakt eller flytte en håndtag, du har brug for noget, der reagerer hurtigt og med tilstrækkelig kraft, " sagde Shankar, som har en sekundær ansættelse i maskinteknik og materialevidenskab. "Vi fandt ud af, at ved at anvende en mekanisk begrænsning på materialet ved at begrænse det langs kanterne, og indlejring af velovervejet gennemtænkte arrangementer af molekyler, vi kan opkonvertere en langsom reaktion til noget, der er mere impulsivt."

Forskerne brugte en fotoresponsiv azobenzen-funktionaliseret flydende krystallinsk polymer (ALCP) film, der er 50 mikrometer tyk og flere millimeter i bredde og længde. En skallignende geometri blev skabt ved at begrænse dette materiale langs dets kanter for at skabe en kurve. Skinnende lys på denne geometri folder skallen i en fold, der spontant danner kerne. Denne foldning sker inden for snesevis af millisekunder og genererer drejningsmomentmængder på op til 10 newtonmeter pr. Kilogram (10Nm/kg). Den lysdrevne respons er forstørret med omkring tre størrelsesordener i forhold til materialet, der var fladt.

"Resultaterne af projektet er meget spændende, fordi det betyder, at vi kan skabe lysdrevne aktuatorer, der er konkurrencedygtige med elektriske aktuatorer, "sagde Kaushik Dayal, medforfatter og professor i civil- og miljøteknik ved CMU.

"Vores tilgang til at skalere lysdrevne polymerers ydeevne kan genopfinde designet af fuldstændigt ubundne bløde robotter med talrige teknologiske applikationer, " tilføjede hovedforfatter og post-doc forsker ved CMU Mahnoush Babaei.