Cils artificiels autopropulsés et programmables à l’infini

Pendant des années, les scientifiques ont tenté de concevoir de minuscules cils artificiels pour des systèmes robotiques miniatures capables d’effectuer des mouvements complexes, notamment la flexion, la torsion et l’inversion. La construction de ces microstructures plus petites qu’un cheveu humain nécessite généralement des processus de fabrication en plusieurs étapes et des stimuli variables pour créer les mouvements complexes, limitant leurs applications à grande échelle.

Maintenant, des chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ont développé une microstructure à un seul matériau et à un seul stimulus qui peut déjouer même les cils vivants. Ces structures programmables à l’échelle du micron pourraient être utilisées pour une gamme d’applications, y compris la robotique douce, les dispositifs médicaux biocompatibles et même le cryptage dynamique des informations.

La recherche est publiée dans Nature.

« Les innovations dans les matériaux adaptatifs autorégulés capables d’un ensemble diversifié de mouvements programmés représentent un domaine très actif, qui est abordé par des équipes interdisciplinaires de scientifiques et d’ingénieurs », a déclaré Joanna Aizenberg, professeur Amy Smith Berylson de science des matériaux et Professeur de chimie et de biologie chimique à SEAS et auteur principal de l’article. « Les progrès réalisés dans ce domaine peuvent avoir un impact significatif sur la manière dont nous concevons des matériaux et des dispositifs pour une variété d’applications, y compris la robotique, la médecine et les technologies de l’information. »

Contrairement aux recherches précédentes, qui reposaient principalement sur des matériaux complexes à plusieurs composants pour obtenir un mouvement programmable d’éléments structurels reconfigurables, Aizenberg et son équipe ont conçu un pilier de microstructure constitué d’un seul matériau, un élastomère à cristaux liquides photosensible. En raison de la façon dont les blocs de construction fondamentaux de l’élastomère à cristaux liquides sont alignés, lorsque la lumière frappe la microstructure, ces blocs de construction se réalignent et la structure change de forme.

Lorsque ce changement de forme se produit, deux choses se produisent. Tout d’abord, l’endroit où la lumière frappe devient transparent, permettant à la lumière de pénétrer plus profondément dans le matériau, provoquant des déformations supplémentaires. Deuxièmement, à mesure que le matériau se déforme et que la forme se déplace, un nouveau point sur le pilier est exposé à la lumière, ce qui fait que cette zone change également de forme.

Cette boucle de rétroaction propulse la microstructure dans un cycle de mouvement semblable à un accident vasculaire cérébral.

« Cette boucle de rétroaction interne et externe nous donne un matériau autorégulateur. Une fois que vous allumez la lumière, elle fait tout son travail », a déclaré Shucong Li, étudiant diplômé au Département de chimie et de biologie chimique à Harvard et co- premier auteur de l’article.

Lorsque la lumière s’éteint, le matériau reprend sa forme d’origine.

Les torsions et les mouvements spécifiques du matériau changent avec sa forme, ce qui rend ces structures simples reconfigurables et accordables à l’infini. À l’aide d’un modèle et d’expériences, les chercheurs ont démontré les mouvements de structures rondes, carrées, en forme de L et de T et en forme de palmier et ont présenté toutes les autres façons dont le matériau peut être réglé.

« Nous avons montré que nous pouvions programmer la chorégraphie de cette danse dynamique en adaptant une gamme de paramètres, y compris l’angle d’éclairage, l’intensité lumineuse, l’alignement moléculaire, la géométrie de la microstructure, la température et les intervalles et la durée d’irradiation », a déclaré Michael M. Lerch, chercheur postdoctoral. membre du laboratoire Aizenberg et co-premier auteur de l’article.

Pour ajouter une autre couche de complexité et de fonctionnalité, l’équipe de recherche a également démontré comment ces piliers interagissent les uns avec les autres dans le cadre d’un réseau.

« Lorsque ces piliers sont regroupés, ils interagissent de manière très complexe car chaque pilier déformant projette une ombre sur son voisin, qui change tout au long du processus de déformation », a déclaré Li. « La programmation de la façon dont ces auto-expositions médiées par l’ombre changent et interagissent dynamiquement les unes avec les autres pourrait être utile pour des applications telles que le cryptage dynamique des informations. »

« Le vaste espace de conception pour les mouvements individuels et collectifs est potentiellement transformateur pour la robotique douce, les micro-marcheurs, les capteurs et les systèmes de cryptage d’informations robustes », a déclaré Aizenberg.