In een paper in Wetenschap Robotica , materiaalwetenschappers van de UCLA Samueli School of Engineering beschrijven een nieuw ontwerp voor een zwemmende robot die zowel wordt aangedreven als gestuurd door constant licht.

Het apparaat, genaamd OsciBot omdat het beweegt door zijn staart te laten oscilleren, zou uiteindelijk kunnen leiden tot ontwerpen voor zeegaande robots en autonome schepen. Het ontwerp is geïnspireerd op een natuurlijk fenomeen dat fototaxis wordt genoemd - beweging naar of weg van een lichtbron - dat overal in het dierenrijk wordt aangetroffen. Zowel kwallen als motten, bijvoorbeeld, worden aangetrokken door licht.

OsciBot laat zien dat bewegen door oscillatie direct kan worden aangedreven door constant licht, in plaats van te vertrouwen op lichtenergie die is geoogst en opgeslagen in een batterij. Het is volledig gemaakt van een zacht materiaal, een hydrogel genaamd, dat opzwelt wanneer het in water wordt geplaatst en reageert op licht. Het apparaat heeft geen batterijen nodig of moet worden aangesloten op een andere voedingsbron.

Het eerste doel van de onderzoekers was om te bepalen of ze een nieuwe manier konden creëren om een ​​constante energiebron te gebruiken om een ​​object in een oscillerend patroon te laten bewegen.

Om dat te doen, ze bouwden een flexibele cilinder van 2 centimeter lang en verankerden die op de bodem van een watertank. Toen ze een lichtstraal op de cilinder richtten, ze ontdekten dat het licht het tot 66 keer per minuut liet buigen - en dat door de positie van de lichtbron te verplaatsen, ze zouden het apparaat kunnen sturen om zowel naar links als naar rechts en op en neer te buigen.

De onderzoekers hebben ook vastgesteld dat de snelheid waarmee het apparaat oscilleert, kan worden aangepast op basis van de lengte en dikte van de cilinder en hoeveel licht er wordt gebruikt.

Gewapend met een begrip van hoe de oscillerende beweging te creëren, het team gebruikte dezelfde hydrogel om een ​​robot te bouwen in de vorm van een rechthoekige surfplank, met een verlengde onderwaterstaart.

Wanneer licht van een laser een plek op de staart raakt, die plek warmt op. De lichte temperatuurstijging zorgt ervoor dat dat deel van de robot een deel van zijn water uitstoot en in volume krimpt, die de staart naar de lichtbron beweegt. Nadat het omhoog is gegaan, de staart creëert een schaduw die het gedeelte afkoelt waar de laser oorspronkelijk contact maakte met de robot, waardoor de staart weer naar beneden gaat.

Zolang het licht de doelplek raakt, het proces herhaalt zich, het creëren van een fladderende beweging. Onderzoekers observeerden hoe de staart 35 keer per minuut fladderde, snel genoeg om de robot 1,15 keer zijn lichaamslengte per minuut te laten bewegen - of ongeveer twee keer zo snel als vergelijkbare robots die worden aangedreven door intermitterend licht.

"Typisch, het genereren van oscillatie is afhankelijk van intermitterende energie-invoer, zoals gepulseerd licht of elektrische wisselstroom, " zei Ximin He, een UCLA-assistent-professor materiaalkunde en engineering, en de hoofdonderzoeker van het onderzoek. "Daarentegen, deze studie toont een nieuwe manier om oscillatie te genereren, door een constante energie-input te gebruiken die gemakkelijk toegankelijk is vanuit de omgeving en goedkoop te benutten is."

De onderzoekers ontdekten ook dat door het licht te herpositioneren, ze konden de robot in kleine bochten sturen, waaruit blijkt dat licht ook kan worden gebruikt om het apparaat te manoeuvreren.

"Dit is echt een fundamentele demonstratie dat direct en constant licht beweging kan aandrijven en bepalen, " zei de hoofdauteur van de studie, Yusen Zhao, een UCLA-doctoraatsstudent in materiaalkunde en techniek. "Het zou een stap kunnen zijn in de richting van een verscheidenheid aan robotontwerpen die ongebonden zijn en uitsluitend worden aangedreven door het beschikbare licht in hun omgeving, in plaats van te vertrouwen op zware batterijen of stroomkabels."

Als het op grotere schaal wordt gebouwd, een soortgelijk ontwerp zou uiteindelijk kunnen worden gebruikt voor grote onderwaterpropellers of windzeilen die zonlicht gebruiken om te manoeuvreren; op microscopische afmetingen, de aanpak zou kunnen worden gebruikt om een ​​robot te ontwikkelen die precisiechirurgische procedures uitvoert. (In dat geval, het licht kan afkomstig zijn van een apart medisch instrument.) Ingenieurs kunnen het ontwerp ook aanpassen voor snelheid en wendbaarheid.

"De schoonheid van de op gel gebaseerde foto-oscillator is de eenvoud van het ontwerp, " Hij zei. "Het samenspel tussen het 'slimme' zachte materiaal en het omgevingslicht maakte zijn zelfregulerende beweging mogelijk."

Hij zei dat het ontwerp zou kunnen worden aangepast om andere vormen van energie te gebruiken:akoestische golven, of elektronische of magnetische signalen, bijvoorbeeld.