Als je lang genoeg naar de bladeren van een plant kijkt, je kunt ze de hele dag zien verschuiven en naar het zonlicht draaien. Het gaat langzaam, maar zeker.

Sommige door de mens gemaakte materialen kunnen deze langzame maar gestage reactie op lichtenergie nabootsen, meestal geactiveerd door lasers of gefocust omgevingslicht. Nieuw onderzoek van de Universiteit van Pittsburgh en de Carnegie Mellon University heeft een manier ontdekt om dit effect voldoende te versnellen zodat de prestaties ervan kunnen concurreren met elektrische en pneumatische systemen.

"We wilden machines maken waarbij licht de enige bron van energie en richting is, " verklaarde M. Ravi Shankar, hoogleraar industriële techniek en senior auteur van het artikel. "De uitdaging is dat we, hoewel we met lichtgedreven polymeren enige beweging en aandrijving kunnen krijgen, het was een te trage reactie om praktisch te zijn."

Wanneer het polymeervel vlak is, het licht bezielt het langzaam, buigen of krullen in de loop van de tijd. De onderzoekers ontdekten dat door het polymeer in een gebogen vorm te vormen, als een schelp, de buigactie gebeurde veel sneller en genereerde meer koppel.

"Als je iets wilt verplaatsen, zoals een schakelaar omdraaien of een hendel verplaatsen, je hebt iets nodig dat snel en met voldoende kracht reageert, " zei Shankar, die een nevenaanstelling heeft in de werktuigbouwkunde en materiaalkunde. "We ontdekten dat door een mechanische beperking op het materiaal toe te passen door het langs de randen te beperken, en het inbedden van oordeelkundig doordachte arrangementen van moleculen, we kunnen een langzame reactie omzetten in iets dat meer impulsief is."

De onderzoekers gebruikten een fotoresponsieve azobenzeen-gefunctionaliseerde vloeibaar kristallijne polymeer (ALCP) film van 50 micrometer dik en enkele millimeters breed en lang. Een schaalachtige geometrie werd gecreëerd door dit materiaal langs de randen op te sluiten om een ​​curve te creëren. Het schijnende licht op deze geometrie vouwt de schaal op een vouw die spontaan kiemt. Dit vouwen vindt plaats binnen tientallen milliseconden en genereert koppeldichtheden tot 10 Newtonmeter per kilogram (10 Nm/kg). De door licht gestuurde respons wordt vergroot met ongeveer drie ordes van grootte in vergelijking met het materiaal dat plat was.

"De resultaten van het project zijn erg opwindend omdat het betekent dat we door licht aangedreven actuatoren kunnen maken die concurrerend zijn met elektrische actuatoren, " zei Kaushik Dayal, co-auteur en hoogleraar civiele en milieutechniek aan CMU.

"Onze benadering van het opschalen van de prestaties van door licht aangedreven polymeren zou het ontwerp van volledig ongebonden zachte robots met tal van technologische toepassingen opnieuw kunnen uitvinden, " voegde hoofdauteur en postdoctoraal onderzoeker bij CMU Mahnoush Babaei toe.