Selbstfahrende, endlos programmierbare künstliche Flimmerhärchen

Seit Jahren versuchen Wissenschaftler, winzige künstliche Flimmerhärchen für Miniaturrobotersysteme zu konstruieren, die komplexe Bewegungen ausführen können, einschließlich Biegen, Drehen und Umkehren. Der Aufbau dieser Mikrostrukturen, die kleiner als ein menschliches Haar sind, erfordert typischerweise mehrstufige Herstellungsprozesse und unterschiedliche Stimuli, um die komplexen Bewegungen zu erzeugen, was ihre breit angelegten Anwendungen einschränkt.

Jetzt haben Forscher der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) eine Mikrostruktur aus einem einzigen Material und einem einzigen Stimulus entwickelt, die sogar lebende Zilien ausmanövrieren kann. Diese programmierbaren Strukturen im Mikrometerbereich könnten für eine Reihe von Anwendungen verwendet werden, darunter Soft-Robotik, biokompatible medizinische Geräte und sogar dynamische Informationsverschlüsselung.

Die Forschung ist veröffentlicht in Natur.

„Innovationen bei adaptiven selbstregulierenden Materialien, die zu einer Vielzahl von programmierten Bewegungen fähig sind, stellen ein sehr aktives Gebiet dar, das von interdisziplinären Teams aus Wissenschaftlern und Ingenieuren angegangen wird“, sagte Joanna Aizenberg, Amy Smith Berylson Professor of Materials Science and Professor für Chemie und chemische Biologie am SEAS und leitender Autor des Artikels. „Fortschritte auf diesem Gebiet können die Art und Weise, wie wir Materialien und Geräte für eine Vielzahl von Anwendungen entwickeln, einschließlich Robotik, Medizin und Informationstechnologien, erheblich beeinflussen.“

Im Gegensatz zu früheren Forschungen, die sich hauptsächlich auf komplexe Mehrkomponentenmaterialien stützten, um eine programmierbare Bewegung rekonfigurierbarer Strukturelemente zu erreichen, entwarfen Aizenberg und ihr Team eine Mikrostruktursäule aus einem einzigen Material – einem photoresponsiven Flüssigkristall-Elastomer. Aufgrund der Art und Weise, wie die grundlegenden Bausteine ​​des Flüssigkristall-Elastomers ausgerichtet sind, richten sich diese Bausteine ​​neu aus, wenn Licht auf die Mikrostruktur trifft, und die Struktur ändert ihre Form.

Wenn diese Formänderung auftritt, passieren zwei Dinge. Erstens wird die Stelle, an der das Licht auftrifft, transparent, wodurch das Licht weiter in das Material eindringen kann und zusätzliche Verformungen verursacht. Zweitens, wenn sich das Material verformt und die Form sich bewegt, wird ein neuer Punkt auf der Säule dem Licht ausgesetzt, wodurch dieser Bereich ebenfalls seine Form ändert.

Diese Rückkopplungsschleife treibt die Mikrostruktur in einen schlagähnlichen Bewegungszyklus.

„Diese interne und externe Rückkopplungsschleife gibt uns ein selbstregulierendes Material. Sobald Sie das Licht einschalten, erledigt es seine ganze Arbeit“, sagte Shucong Li, ein Doktorand am Institut für Chemie und chemische Biologie in Harvard und Co- Erstautor der Abhandlung.

Wenn das Licht ausgeht, schnappt das Material wieder in seine ursprüngliche Form zurück.

Die spezifischen Drehungen und Bewegungen des Materials ändern sich mit seiner Form, wodurch diese einfachen Strukturen endlos neu konfiguriert und abgestimmt werden können. Anhand eines Modells und Experimenten demonstrierten die Forscher die Bewegungen runder, quadratischer, L- und T-förmiger sowie palmenförmiger Strukturen und legten alle anderen Möglichkeiten fest, wie das Material abgestimmt werden kann.

„Wir haben gezeigt, dass wir die Choreografie dieses dynamischen Tanzes programmieren können, indem wir eine Reihe von Parametern anpassen, darunter Beleuchtungswinkel, Lichtintensität, molekulare Ausrichtung, Mikrostrukturgeometrie, Temperatur sowie Bestrahlungsintervalle und -dauer“, sagte Michael M. Lerch, Postdoktorand Fellow im Aizenberg Lab und Co-Erstautor der Arbeit.

Um eine weitere Ebene der Komplexität und Funktionalität hinzuzufügen, demonstrierte das Forschungsteam auch, wie diese Säulen als Teil eines Arrays miteinander interagieren.

„Wenn diese Säulen gruppiert werden, interagieren sie auf sehr komplexe Weise, da jede sich verformende Säule einen Schatten auf ihren Nachbarn wirft, der sich während des Verformungsprozesses ändert“, sagte Li. „Die Programmierung, wie sich diese schattenvermittelten Selbstdarstellungen verändern und dynamisch miteinander interagieren, könnte für Anwendungen wie dynamische Informationsverschlüsselung nützlich sein.“

„Der riesige Gestaltungsraum für individuelle und kollektive Bewegungen ist potenziell transformativ für Soft-Robotik, Mikro-Walker, Sensoren und robuste Informationsverschlüsselungssysteme“, sagte Aizenberg.