Het draaiende en buigende vermogen van het menselijk spierstelsel maakt een gevarieerd en dynamisch bewegingsbereik mogelijk, van lopen en rennen naar reiken en grijpen. Iets schijnbaar eenvoudigs nabootsen als met een hand zwaaien in een robot, echter, vereist een complexe reeks motoren, pompen, actuatoren en algoritmen. Onderzoekers van de Universiteit van Pittsburgh en Harvard University hebben onlangs een polymeer ontworpen dat bekend staat als een vloeibaar kristalelastomeer (LCE) dat kan worden "geprogrammeerd" om zowel te draaien als te buigen in de aanwezigheid van licht.

Het onderzoek, gepubliceerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang werd ontwikkeld aan Pitt's Swanson School of Engineering door Anna C. Balazs, Distinguished Professor of Chemical and Petroleum Engineering en John A. Swanson Chair of Engineering; en James T. Waters, postdoctoraal medewerker en de eerste auteur van het artikel. Andere onderzoekers van het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering van Harvard University en de John A. Paulson School of Engineering zijn Joanna Aizenberg, Michael Aizenberg, Michael Lerch, Shucong Li en Yuxing Yao.

Deze specifieke LCE's zijn achiraal:de structuur en het spiegelbeeld zijn identiek. Dit geldt niet voor een chiraal object, zoals een mensenhand, die niet kan worden gesuperponeerd op een spiegelbeeld van zichzelf. Met andere woorden, de rechterhand kan niet spontaan worden omgezet in een linkerhand. Wanneer de achirale LCE wordt blootgesteld aan licht, echter, het kan controleerbaar en omkeerbaar naar rechts draaien of naar links draaien, vormen zowel rechtshandige als linkshandige structuren.

"De chiraliteit van moleculen en materiaalsystemen dicteert vaak hun eigenschappen, " Dr. Balazs legde uit. "Het vermogen om dynamisch en omkeerbaar chiraliteit te veranderen of een achirale structuur in een chirale structuur te drijven, zou een unieke benadering kunnen bieden om de eigenschappen van een bepaald systeem on-the-fly te veranderen." echter, het bereiken van dit niveau van structurele veranderlijkheid blijft een enorme uitdaging. Vandaar, deze bevindingen zijn opwindend omdat deze LCE's inherent achiraal zijn, maar chiraal kunnen worden in de aanwezigheid van ultraviolet licht en terugkeren naar achiraal wanneer het licht wordt verwijderd."

De onderzoekers ontdekten dit onderscheidende dynamische gedrag door middel van hun computermodellering van een microscopische LCE-paal verankerd aan een oppervlak in de lucht. Moleculen (de mesogenen) die zich uitstrekken vanaf de LCE-ruggengraat zijn allemaal uitgelijnd op 45 graden (ten opzichte van het oppervlak) door een magnetisch veld; in aanvulling op, de LCE's zijn verknoopt met een lichtgevoelig materiaal. "Toen we een licht in één richting simuleerden, de LCE-moleculen zouden ongeorganiseerd raken en de hele LCE-post draait naar links; schijn het in de tegenovergestelde richting en het draait naar rechts, " Dr. Waters beschreven. Deze modelleringsresultaten werden bevestigd door de experimentele bevindingen van de Harvard-groep.

Een stap verder gaan, de onderzoekers gebruikten hun gevalideerde computermodel om "chimera" LCE-posten te ontwerpen waarbij de moleculen in de bovenste helft van de post in één richting zijn uitgelijnd en in de onderste helft in een andere richting zijn uitgelijnd. Met de toepassing van licht, deze hersenschimstructuren kunnen tegelijkertijd buigen en draaien, het nabootsen van de complexe beweging mogelijk gemaakt door het menselijke spierstelsel.

"Dit lijkt veel op hoe een poppenspeler een marionet bestuurt, maar in dit geval dient het licht als de snaren, en we kunnen dynamische en omkeerbare bewegingen creëren door chemische, optisch, en mechanische energie, "Zei Dr. Balazs. "In staat zijn te begrijpen hoe kunstmatige systemen met deze complexe integratie kunnen worden ontworpen, is van fundamenteel belang voor het creëren van adaptieve materialen die kunnen reageren op veranderingen in de omgeving. Vooral op het gebied van zachte robotica, dit is essentieel voor het bouwen van apparaten die controleerbare, dynamisch gedrag zonder de noodzaak van complexe elektronische componenten."