Det mänskliga muskelsystemets vridnings- och böjningsförmåga möjliggör ett varierat och dynamiskt rörelseomfång, från att gå och springa till att nå och greppa. Att replikera något så till synes enkelt som att vifta med en hand i en robot, dock, kräver en komplex serie av motorer, pumps, ställdon och algoritmer. Forskare vid University of Pittsburgh och Harvard University har nyligen designat en polymer känd som en flytande kristallelastomer (LCE) som kan "programmeras" att både vrida och böja sig i närvaro av ljus.

Forskningen, publiceras i tidskriften Vetenskapens framsteg utvecklades vid Pitt's Swanson School of Engineering av Anna C. Balazs, Erkänd professor i kemi- och petroleumteknik och John A. Swanson professor i teknik; och James T. Waters, postdoktorand och tidningens första författare. Andra forskare från Harvard Universitys Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering och John A. Paulson School of Engineering inkluderar Joanna Aizenberg, Michael Aizenberg, Michael Lerch, Shucong Li och Yuxing Yao.

Dessa speciella LCE:er är akirala:strukturen och dess spegelbild är identiska. Detta är inte sant för ett kiralt objekt, som en mänsklig hand, som inte kan läggas över en spegelbild av sig själv. Med andra ord, högerhanden kan inte spontant omvandlas till vänsterhand. När den akirala LCE utsätts för ljus, dock, den kan kontrollerat och reversibelt vrida till höger eller vrida till vänster, bildar både högerhänta och vänsterhänta strukturer.

"Kiraliteten hos molekyler och materialsystem dikterar ofta deras egenskaper, "Dr. Balazs förklarade. "Förmågan att dynamiskt och reversibelt förändra kiralitet eller driva en akiral struktur till en kiral struktur kan ge ett unikt tillvägagångssätt för att ändra egenskaperna hos ett givet system i farten." dock, Att uppnå denna nivå av strukturell förändring är fortfarande en skrämmande utmaning. Därav, dessa fynd är spännande eftersom dessa LCE är i sig akirala men kan bli kirala i närvaro av ultraviolett ljus och återgå till akirala när ljuset tas bort."

Forskarna avslöjade detta distinkta dynamiska beteende genom sin datormodellering av en mikroskopisk LCE-stolpe förankrad till en yta i luft. Molekyler (mesogenerna) som sträcker sig från LCE-ryggraden är alla inriktade i 45 grader (med avseende på ytan) av ett magnetfält; dessutom, LCE:erna är tvärbundna med ett ljuskänsligt material. "När vi simulerade att lysa ett ljus i en riktning, LCE-molekylerna skulle bli oorganiserade och hela LCE-posten vrids åt vänster; lysa den i motsatt riktning och den vrider sig åt höger, Dr. Waters beskrev. Dessa modelleringsresultat bekräftades av de experimentella fynden från Harvard-gruppen.

Går man ett steg längre, forskarna använde sin validerade datormodell för att designa "chimera" LCE-stolpar där molekylerna i den övre halvan av stolpen är inriktade i en riktning och är inriktade i en annan riktning i den nedre halvan. Med applicering av ljus, dessa chimära strukturer kan samtidigt böjas och vridas, efterliknar den komplexa rörelse som möjliggörs av det mänskliga muskelsystemet.

"Det här är ungefär som hur en dockspelare styr en marionett, men i det här fallet fungerar ljuset som strängarna, och vi kan skapa dynamiska och reversibla rörelser genom kopplingskemikalier, optisk, och mekanisk energi, "Dr. Balazs sa. "Att kunna förstå hur man designar konstgjorda system med denna komplexa integration är grundläggande för att skapa adaptiva material som kan svara på förändringar i miljön. Speciellt inom området mjuk robotik, detta är viktigt för att bygga enheter som uppvisar kontrollerbara, dynamiskt beteende utan behov av komplexa elektroniska komponenter."