De meeste synthetische materialen, inclusief die in batterijelektroden, polymeer membranen, en katalysatoren, degraderen na verloop van tijd omdat ze geen interne reparatiemechanismen hebben. Als je autonome microrobots binnen deze materialen zou kunnen verspreiden, dan zou je de microrobots kunnen gebruiken om continu van binnenuit reparaties uit te voeren. Een nieuwe studie van het lab van Kyle Bishop, universitair hoofddocent chemische technologie, stelt een strategie voor voor microschaalrobots die symptomen van een materiaaldefect kunnen detecteren en autonoom naar de plaats van het defect kunnen navigeren, waar corrigerende maatregelen kunnen worden genomen. De studie is gepubliceerd in Fysiek beoordelingsonderzoek 2 december 2019.

Zwembacteriën zoeken naar gebieden met een hoge nutriëntenconcentratie door chemische sensoren en moleculaire motoren te integreren. net als een zelfrijdende auto die informatie van camera's en andere sensoren gebruikt om de juiste actie te selecteren om zijn bestemming te bereiken. Onderzoekers hebben geprobeerd dit gedrag na te bootsen door kleine deeltjes te gebruiken die worden aangedreven door chemische brandstoffen of andere energie-inputs. Terwijl ruimtelijke variaties in de omgeving (bijv. in de brandstofconcentratie) kunnen werken om het deeltje fysiek te oriënteren en daardoor zijn beweging te sturen, dit type navigatie heeft beperkingen.

"Bestaande zelfrijdende deeltjes zijn meer een op hol geslagen trein die mechanisch wordt bestuurd door de kronkelende rails dan een zelfrijdende auto die autonoom wordt geleid door zintuiglijke informatie, " zegt Bishop. "We vroegen ons af of we robots op microschaal konden ontwerpen met materiële sensoren en actuatoren die meer als bacteriën navigeren."

Het team van Bishop ontwikkelt een nieuwe benadering om de autonome navigatie van microrobots te coderen die is gebaseerd op vormveranderende materialen. Lokale kenmerken van de omgeving, zoals temperatuur of pH, de driedimensionale vorm van het deeltje bepalen, die op zijn beurt zijn zelfrijdende beweging beïnvloedt. Door de vorm van het deeltje en zijn reactie op omgevingsveranderingen te controleren, de onderzoekers modelleren hoe microrobots kunnen worden ontworpen om stimulusgradiënten op of neer te zwemmen, zelfs degenen die te zwak zijn om direct door het deeltje te worden gevoeld.

"Voor de eerste keer, laten we zien hoe responsieve materialen kunnen worden gebruikt als boordcomputers voor microschaalrobots, kleiner dan de dikte van een mensenhaar, die zijn geprogrammeerd om autonoom te navigeren, " zegt Yong Dou, een co-auteur van de studie en een Ph.D. student in Bishop's lab. "Dergelijke microrobots zouden complexere taken kunnen uitvoeren, zoals gedistribueerde detectie van materiaaldefecten, autonome levering van therapeutische lading, en on-demand reparaties van materialen, cellen, of weefsels."

Het team van Bishop zet nu experimenten op om hun theoretische navigatiestrategie voor microrobots in de praktijk te demonstreren, met behulp van vormveranderende materialen zoals vloeibaar-kristalelastomeren en legeringen met vormgeheugen. Ze verwachten dat de experimenten zullen bewijzen dat stimuli-responsieve, vormveranderende microdeeltjes kunnen technische feedback tussen detectie en beweging gebruiken om autonoom te navigeren.