Kredit:Harvard University
I flera år har forskare försökt konstruera små, konstgjorda flimmerhår för miniatyrrobotsystem som kan utföra komplexa rörelser, inklusive böjning, vridning och backning. Att bygga dessa mikrostrukturer som är mindre än ett människohår kräver vanligtvis tillverkningsprocesser i flera steg och olika stimuli för att skapa de komplexa rörelserna, vilket begränsar deras omfattande tillämpningar.
Nu har forskare från Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) utvecklat en mikrostruktur av ett material, enstimuli som kan utmanövrera även levande flimmerhår. Dessa programmerbara strukturer i mikronskala skulle kunna användas för en rad applikationer, inklusive mjuk robotik, biokompatibel medicinsk utrustning och till och med dynamisk informationskryptering.
Forskningen publiceras i Nature .
"Innovationer i adaptiva självreglerande material som är kapabla till en mångfald av programmerade rörelser representerar ett mycket aktivt område, som tacklas av tvärvetenskapliga team av forskare och ingenjörer", säger Joanna Aizenberg, Amy Smith Berylson professor i materialvetenskap och Professor i kemi och kemisk biologi vid SEAS och senior författare till uppsatsen. "Framsteg som uppnåtts inom detta område kan avsevärt påverka hur vi designar material och enheter för en mängd olika applikationer, inklusive robotik, medicin och informationsteknik."
Till skillnad från tidigare forskning, som mest förlitade sig på komplexa flerkomponentmaterial för att uppnå programmerbar rörelse av omkonfigurerbara strukturella element, designade Aizenberg och hennes team en mikrostrukturpelare gjord av ett enda material - en fotoresponsiv flytande kristallelastomer. På grund av hur de grundläggande byggstenarna i den flytande kristallelastomeren är inriktade, när ljus träffar mikrostrukturen, anpassas dessa byggstenar och strukturen ändrar form.
När denna formförändring sker, händer två saker. Först blir platsen där ljuset träffar transparent, vilket gör att ljuset kan tränga längre in i materialet och orsaka ytterligare deformationer. För det andra, när materialet deformeras och formen rör sig, exponeras en ny fläck på pelaren för ljus, vilket gör att området också ändrar form.
Denna återkopplingsslinga driver mikrostrukturen till en slagliknande rörelsecykel.
"Denna interna och externa återkopplingsslinga ger oss ett självreglerande material. När du väl tänder ljuset gör det allt sitt eget arbete", säger Shucong Li, doktorand vid Institutionen för kemi och kemisk biologi vid Harvard och med- tidningens första författare.
När ljuset släcks, snäpper materialet tillbaka till sin ursprungliga form.
Materialets specifika vridningar och rörelser förändras med dess form, vilket gör dessa enkla strukturer oändligt omkonfigurerbara och avstämbara. Med hjälp av en modell och experiment visade forskarna rörelserna hos runda, fyrkantiga, L- och T-formade och palmformade strukturer och lade ut alla andra sätt som materialet kan trimmas på.
"Vi visade att vi kan programmera koreografin för denna dynamiska dans genom att skräddarsy en rad parametrar, inklusive belysningsvinkel, ljusintensitet, molekylär inriktning, mikrostrukturgeometri, temperatur och bestrålningsintervall och varaktighet", säger Michael M. Lerch, postdoktor. fellow i Aizenberg Lab och medförfattare till tidningen.
För att lägga till ytterligare ett lager av komplexitet och funktionalitet visade forskargruppen också hur dessa pelare interagerar med varandra som en del av en array.
"När dessa pelare är grupperade, interagerar de på mycket komplexa sätt eftersom varje deformerande pelare kastar en skugga på sin granne, som förändras under hela deformationsprocessen", sa Li. "Att programmera hur dessa skuggmedierade självexponeringar förändras och interagerar dynamiskt med varandra kan vara användbart för sådana applikationer som dynamisk informationskryptering."
"Det enorma designutrymmet för individuella och kollektiva rörelser är potentiellt transformerande för mjuk robotik, mikrovandrare, sensorer och robusta informationskrypteringssystem", säger Aizenberg. + Utforska vidare
