Selvkørende, endeløst programmerbare kunstige cilia

I årevis har forskere forsøgt at konstruere små, kunstige cilia til miniature robotsystemer, der kan udføre komplekse bevægelser, herunder bøjning, vridning og vending. At bygge disse mindre-end-et-menneskehår-mikrostrukturer kræver typisk flertrins fabrikationsprocesser og varierende stimuli for at skabe de komplekse bevægelser, hvilket begrænser deres omfattende anvendelser.

Nu har forskere fra Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) udviklet en enkelt-materiale, single-stimuli mikrostruktur, der kan udmanøvrere selv levende cilia. Disse programmerbare strukturer i mikronskala kan bruges til en række applikationer, herunder blød robotteknologi, biokompatibelt medicinsk udstyr og endda dynamisk informationskryptering.

Forskningen er publiceret i Nature .

"Innovationer i adaptive selvregulerende materialer, der er i stand til et forskelligartet sæt programmerede bevægelser, repræsenterer et meget aktivt felt, som bliver grebet ind af tværfaglige teams af forskere og ingeniører," siger Joanna Aizenberg, Amy Smith Berylson professor i materialevidenskab og Professor i kemi og kemisk biologi ved SEAS og seniorforfatter af papiret. "De fremskridt, der er opnået på dette felt, kan have stor indflydelse på den måde, vi designer materialer og enheder til en række forskellige anvendelser, herunder robotteknologi, medicin og informationsteknologi."

I modsætning til tidligere forskning, der hovedsagelig var afhængig af komplekse multikomponentmaterialer for at opnå programmerbar bevægelse af rekonfigurerbare strukturelle elementer, designede Aizenberg og hendes team en mikrostruktursøjle lavet af et enkelt materiale - en fotoresponsiv flydende krystal elastomer. På grund af den måde, de grundlæggende byggesten i den flydende krystal elastomer er justeret på, når lyset rammer mikrostrukturen, justeres disse byggesten, og strukturen ændrer form.

Når denne formændring sker, sker der to ting. For det første bliver stedet, hvor lyset rammer, gennemsigtigt, hvilket lader lyset trænge længere ind i materialet og forårsage yderligere deformationer. For det andet, efterhånden som materialet deformeres og formen bevæger sig, udsættes en ny plet på søjlen for lys, hvilket får det område til også at ændre form.

Denne feedback-loop driver mikrostrukturen ind i en slag-lignende bevægelsescyklus.

"Denne interne og eksterne feedback-sløjfe giver os et selvregulerende materiale. Når først du tænder lyset, udfører det alt sit eget arbejde," sagde Shucong Li, en kandidatstuderende ved Institut for Kemi og Kemisk Biologi ved Harvard og med- avisens første forfatter.

Når lyset slukker, klikker materialet tilbage til sin oprindelige form.

Materialets specifikke drejninger og bevægelser ændrer sig med dets form, hvilket gør disse enkle strukturer uendeligt omkonfigurerbare og tunbare. Ved hjælp af en model og eksperimenter demonstrerede forskerne bevægelserne af runde, firkantede, L- og T-formede og palme-formede strukturer og lagde alle de andre måder, materialet kan tunes på.

"Vi viste, at vi kan programmere koreografien af ​​denne dynamiske dans ved at skræddersy en række parametre, herunder belysningsvinkel, lysintensitet, molekylær justering, mikrostrukturgeometri, temperatur og bestrålingsintervaller og -varighed," sagde Michael M. Lerch, en postdoc. stipendiat i Aizenberg Lab og medførsteforfatter af papiret.

For at tilføje endnu et lag af kompleksitet og funktionalitet demonstrerede forskerholdet også, hvordan disse søjler interagerer med hinanden som en del af et array.

"Når disse søjler er grupperet sammen, interagerer de på meget komplekse måder, fordi hver deformerende søjle kaster en skygge på sin nabo, som ændrer sig gennem deformationsprocessen," sagde Li. "At programmere, hvordan disse skyggemedierede selveksponeringer ændrer sig og interagerer dynamisk med hinanden, kunne være nyttigt til sådanne applikationer som dynamisk informationskryptering."

"Det store designrum til individuelle og kollektive bevægelser er potentielt transformerende for blød robotteknologi, mikro-walkers, sensorer og robuste informationskrypteringssystemer," sagde Aizenberg. + Udforsk yderligere

Omdannelse af cirkler til firkanter:Forskere omkonfigurerer materialetopologi på mikroskalaen