Jarenlang hebben wetenschappers geprobeerd om kleine, kunstmatige trilhaartjes te ontwerpen voor miniatuurrobotsystemen die complexe bewegingen kunnen uitvoeren, zoals buigen, draaien en omkeren. Het bouwen van deze microstructuren die kleiner zijn dan een mensenhaar, vereist doorgaans fabricageprocessen in meerdere stappen en variërende stimuli om de complexe bewegingen te creëren, waardoor hun grootschalige toepassingen worden beperkt.

Nu hebben onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) een microstructuur met één materiaal en één prikkel ontwikkeld die zelfs levende trilhaartjes te slim af is. Deze programmeerbare structuren op microschaal kunnen worden gebruikt voor een reeks toepassingen, waaronder zachte robotica, biocompatibele medische apparaten en zelfs dynamische informatieversleuteling.

Het onderzoek is gepubliceerd in Nature .

"Innovaties in adaptieve zelfregulerende materialen die in staat zijn tot een gevarieerde reeks geprogrammeerde bewegingen, vertegenwoordigen een zeer actief veld, dat wordt aangepakt door interdisciplinaire teams van wetenschappers en ingenieurs", zegt Joanna Aizenberg, de Amy Smith Berylson Professor of Materials Science en Professor of Chemistry &Chemical Biology bij SEAS en senior auteur van het artikel. "Vooruitgang op dit gebied kan een aanzienlijke invloed hebben op de manier waarop we materialen en apparaten ontwerpen voor een verscheidenheid aan toepassingen, waaronder robotica, medicijnen en informatietechnologieën."

In tegenstelling tot eerder onderzoek, dat voornamelijk gebaseerd was op complexe meercomponentenmaterialen om programmeerbare beweging van herconfigureerbare structurele elementen te bereiken, ontwierpen Aizenberg en haar team een ​​microstructuurpijler gemaakt van een enkel materiaal:een fotogevoelig vloeibaar kristalelastomeer. Vanwege de manier waarop de fundamentele bouwstenen van het vloeibaar-kristalelastomeer zijn uitgelijnd, wanneer licht de microstructuur raakt, worden die bouwstenen opnieuw uitgelijnd en verandert de structuur van vorm.

Als deze vormverandering plaatsvindt, gebeuren er twee dingen. Ten eerste wordt de plek waar het licht valt transparant, waardoor het licht verder in het materiaal kan doordringen en extra vervormingen optreden. Ten tweede, als het materiaal vervormt en de vorm beweegt, wordt een nieuwe plek op de pilaar blootgesteld aan licht, waardoor dat gebied ook van vorm verandert.

Deze feedbacklus stuwt de microstructuur in een slagachtige bewegingscyclus.

"Deze interne en externe feedbacklus geeft ons een zelfregulerend materiaal. Zodra je het licht aandoet, doet het al zijn eigen werk", zegt Shucong Li, een afgestudeerde student aan de afdeling Scheikunde en Chemische Biologie van Harvard en co- eerste auteur van het artikel.

Wanneer het licht uitgaat, springt het materiaal terug naar zijn oorspronkelijke vorm.

De specifieke wendingen en bewegingen van het materiaal veranderen met zijn vorm, waardoor deze eenvoudige structuren eindeloos herconfigureerbaar en afstembaar zijn. Met behulp van een model en experimenten demonstreerden de onderzoekers de bewegingen van ronde, vierkante, L- en T-vormige en palmboomvormige structuren en legden ze alle andere manieren vast waarop het materiaal kan worden afgestemd.

"We hebben laten zien dat we de choreografie van deze dynamische dans kunnen programmeren door een reeks parameters aan te passen, waaronder belichtingshoek, lichtintensiteit, moleculaire uitlijning, microstructuurgeometrie, temperatuur en bestralingsintervallen en -duur", zegt Michael M. Lerch, een postdoctoraal fellow in het Aizenberg Lab en mede-eerste auteur van het artikel.

Om een ​​extra laag complexiteit en functionaliteit toe te voegen, demonstreerde het onderzoeksteam ook hoe deze pijlers met elkaar omgaan als onderdeel van een array.

"Wanneer deze pilaren worden gegroepeerd, werken ze op zeer complexe manieren met elkaar samen, omdat elke vervormende pilaar een schaduw werpt op zijn buurman, die tijdens het vervormingsproces verandert", zei Li. "Programmeren hoe deze door schaduw gemedieerde zelfblootstellingen veranderen en dynamisch met elkaar omgaan, zou nuttig kunnen zijn voor toepassingen als dynamische informatieversleuteling."

"De enorme ontwerpruimte voor individuele en collectieve bewegingen is potentieel transformerend voor zachte robotica, micro-walkers, sensoren en robuuste informatie-encryptiesystemen", zegt Aizenberg. + Verder verkennen

Cirkels omzetten in vierkanten:onderzoekers herconfigureren materiaaltopologie op microschaal