В течение многих лет ученые пытались создать крошечные искусственные реснички для миниатюрных роботизированных систем, способных выполнять сложные движения, включая изгибы, скручивания и реверсивные движения. Создание этих микроструктур размером меньше человеческого волоса обычно требует многоэтапных процессов изготовления и различных стимулов для создания сложных движений, что ограничивает их широкомасштабное применение.
Теперь исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) разработали микроструктуру из одного материала и одного стимула, которая может перехитрить даже живые реснички. Эти программируемые микронные структуры можно использовать для целого ряда приложений, включая мягкую робототехнику, биосовместимые медицинские устройства и даже динамическое шифрование информации.
Исследование опубликовано в Nature.
«Инновации в адаптивных саморегулирующихся материалах, которые способны к разнообразному набору запрограммированных движений, представляют собой очень активную область, которой занимаются междисциплинарные группы ученых и инженеров», — сказала Джоанна Айзенберг, профессор Эми Смит Берилсон в области материаловедения и науки. Профессор химии и химической биологии в SEAS и старший автор статьи. «Достижения, достигнутые в этой области, могут существенно повлиять на то, как мы разрабатываем материалы и устройства для различных приложений, включая робототехнику, медицину и информационные технологии».
В отличие от предыдущих исследований, которые опирались в основном на сложные многокомпонентные материалы для достижения программируемого движения реконфигурируемых структурных элементов, Айзенберг и ее команда разработали микроструктурный столб из одного материала — светочувствительного жидкокристаллического эластомера. Из-за того, что основные строительные блоки жидкокристаллического эластомера выравниваются, когда свет попадает на микроструктуру, эти строительные блоки перестраиваются, и структура меняет форму.
Когда происходит это изменение формы, происходят две вещи. Во-первых, место, куда попадает свет, становится прозрачным, что позволяет свету глубже проникать в материал, вызывая дополнительные деформации. Во-вторых, по мере того, как материал деформируется и форма перемещается, новое пятно на столбе подвергается воздействию света, в результате чего эта область также меняет форму.
Эта петля обратной связи приводит микроструктуру в цикл движения, похожий на штрих.
«Эта внутренняя и внешняя петля обратной связи дает нам саморегулирующийся материал. Как только вы включаете свет, он выполняет всю свою работу», — сказал Шуконг Ли, аспирант факультета химии и химической биологии Гарварда и соавтор. первый автор статьи.
Когда свет выключается, материал возвращается к своей первоначальной форме.
Специфические изгибы и движения материала меняются вместе с его формой, что делает эти простые структуры бесконечно реконфигурируемыми и настраиваемыми. Используя модель и эксперименты, исследователи продемонстрировали движения круглых, квадратных, L- и T-образных, а также пальмообразных конструкций и изложили все другие способы настройки материала.
«Мы показали, что можем запрограммировать хореографию этого динамического танца, адаптируя ряд параметров, включая угол освещения, интенсивность света, молекулярное выравнивание, геометрию микроструктуры, температуру, интервалы и продолжительность облучения», — сказал Майкл М. Лерх, постдокторант. сотрудник лаборатории Айзенберга и соавтор статьи.
Чтобы добавить еще один уровень сложности и функциональности, исследовательская группа также продемонстрировала, как эти столпы взаимодействуют друг с другом как часть массива.
«Когда эти столбы сгруппированы вместе, они взаимодействуют очень сложным образом, потому что каждый деформирующийся столб отбрасывает тень на своего соседа, которая меняется в процессе деформации», — сказал Ли. «Программирование того, как эти опосредованные тенью самооблучения изменяются и динамически взаимодействуют друг с другом, может быть полезно для таких приложений, как динамическое шифрование информации».
«Большое пространство для проектирования индивидуальных и коллективных движений потенциально может преобразовать мягкую робототехнику, микроходоки, датчики и надежные системы шифрования информации», — сказал Айзенберг.
