Science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

De snavel van de kolibrie wijst de weg naar het toekomstige ontwerp van micromachines

Proceedings of the National Academy of Sciences . De hoofdauteur is Itay Griniasty, een Schmidt AI postdoctoraal fellow in het laboratorium van Itai Cohen, hoogleraar natuurkunde aan het College of Arts and Sciences.

Het bouwen van steeds kleinere machines is niet simpelweg een kwestie van het verkleinen van de componenten. Hoewel macroscopische machines doorgaans zijn ontworpen om in compartimenten te worden verdeeld, waarbij een taak in kleine stukjes wordt verdeeld en elke taak aan een ander deel van de machine wordt toegewezen, hebben eiwitten – de typische microscopische machines die verantwoordelijk zijn voor een groot deel van de biologie – een ander ontwerp. Taken worden vaak uitgevoerd door gecoördineerde beweging van alle componenten van het eiwit, waardoor ze robuuster worden tegen de chaos van de microscopische wereld.

Eerder heeft de groep van Cohen origami-principes gebruikt om een ​​reeks microschaalapparaten te fabriceren, van zelfvouwende structuren tot lopende microrobots, die innovatief zijn vanwege hun formaat, maar relatief basaal in functie. Het toevoegen van functionaliteit aan origamivellen blijkt een uitdagende opgave.

"De machines die we tot nu toe hebben gemaakt zijn heel, heel eenvoudig. Maar toen we begonnen na te denken over hoe we de functionaliteit konden vergroten in systemen die sterk gekoppeld zijn, begonnen we ons te realiseren dat elke keer dat je een onderdeel van de machine verplaatst, alle andere delen bewegen”, zei Cohen. "Het is gekmakend, omdat je niets kunt isoleren, het zit allemaal met elkaar in deze bladen. Toen begonnen we ons af te vragen hoe dit in de microscopische wereld wordt gedaan."

Drie toestandencyclus nabij een vlindersplitsing. Een experimentele demonstratie van een systeem dat tussen drie toestanden wisselt door te snappen, gaat vergezeld van animaties van het voorspelde elasto-magnetische potentieel en het traject van het systeem in de parameterruimte. Krediet:Cornell University

Ze zeiden dat een eiwit kan worden gezien als een machine die tussen toestanden springt als reactie op kleine veranderingen van een paar parameters. De onderzoekers lieten zich inspireren door een voorbeeld van dit soort functionaliteit op macroschaal:de kolibrie.

Een onderzoek uit 2010 door Andy Ruina, de John F. Carr hoogleraar Werktuigbouwkunde, liet zien hoe de snavel van een kolibrie 'soepel kan worden geopend en vervolgens weer kan worden dichtgeklapt door middel van een passende reeks buig- en draaibewegingen door de spieren van de onderkaak.' /P>

Dit systeem wordt verklaard door een wiskundig idee dat een cusp-vertakking wordt genoemd, waarbij, afhankelijk van de krachten die worden uitgeoefend door de kaakspieren, de snavel een enkele stabiele toestand kan hebben, dat wil zeggen gesloten, of twee stabiele toestanden, zowel open als gesloten. Het punt waarop de enkele stabiele toestand zich in twee stabiele toestanden splitst, is de cusp-splitsing.

Het voordeel van het werken rond een cusp-vertakking is dat het een paar belangrijke ontwerpkenmerken biedt. De eerste is topologische bescherming, die zorgt voor consistentie in de prestaties van een apparaat, zodat als de kaakspieren iets anders trekken, de snavel nog steeds kan worden geopend en dichtgeklapt. Het tweede is een hefboomvoordeel, dat ervoor zorgt dat de spieren maar een klein stukje hoeven te bewegen om een ​​grote verandering in de snavel te activeren. Dit zijn precies de componenten die nodig zijn om op microschaal te kunnen functioneren.

Cohen, Griniasty en hun medewerkers vroegen zich af of ze het aantal staten dat rond een splitsing was georganiseerd, konden vergroten van twee – dat wil zeggen open en gesloten – naar tientallen of mogelijk honderden. Deze uitbreiding zou het ontwerp mogelijk maken van machines die complexe functies uitvoeren.

"In plaats van de gecompartimenteerde functies samen te voegen, zouden deze mogelijkheden uit het hele object voortkomen", zei Griniasty. "Het is samen dansen."

Twee toestandencyclus nabij een vlindervertakking. Een experimentele demonstratie van een systeem dat heen en weer beweegt tussen twee toestanden. Het systeem maakt gebruik van hetzelfde magnetische patroon nabij een vlindervertakking dat wordt gebruikt om overgangen tussen drie toestanden aan te tonen. De experimentele video gaat vergezeld van animaties van het voorspelde elasto-magnetische potentieel en het traject van het systeem in de parameterruimte. Krediet:Cornell University

De onderzoekers rekruteerden Teaya Yang '22 en Yuchao Chen '19, beide co-auteurs, om een ​​proof-of-concept magneto-elastisch model op macroschaal te creëren met een vlindervertakking waardoor het systeem kon klikken of soepel kon overschakelen tussen drie stabiele toestanden. Het model bestond uit twee panelen, waarvan er één in een vlak bewoog, terwijl de andere vrij kon draaien rond een vast scharnier. Elk paneel was versierd met negen magneten die met elkaar in wisselwerking stonden, waardoor complexe interacties ontstonden die doen denken aan die in eiwitten.

Een centrale uitdaging was echter het vinden van een methode om magnetische patronen te ontwerpen die de gewenste splitsing zouden bewerkstelligen. Griniasty en David Hathcock, Ph.D. '22 overwon het probleem door een algoritme te ontwikkelen dat voortbouwde op het dynamische systeemwerk van John Guckenheimer, de A.R. Bullis emeritus hoogleraar wiskunde (A&S).

"Als we zouden proberen deze magnetische patronen alleen maar te raden, om meerdere evenwichten te genereren, zouden we zonder rekenkracht komen te zitten", zei Cohen. "Dus heeft Itay een heel mooi algoritme ontworpen dat het zoeken vereenvoudigt."

De volgende stap zal zijn om het concept op microschaal te demonstreren.

"Voor een machine van 100 micron, zoals de typische robots die we maken, berekende Itay dat we twintig afzonderlijke toestanden konden bereiken", zei Cohen. "Dat is ongeveer wat we ons voorstellen dat op microschaal gemaakt zou kunnen worden, een machine waarbij ik een actuator gebruik om een ​​van de panelen te bewegen, en de configuratie van de hele machine zou kunnen schakelen tussen twintig verschillende configuraties. Je zou een machine kunnen hebben die, laten we zeggen dat we door vloeistof moeten bewegen, of misschien een ingewikkelde grijpactie moeten uitvoeren."

Meer informatie: Teaya Yang et al., Bifurcation geïnstrueerd ontwerp van multistate machines, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI:10.1073/pnas.2300081120

Journaalinformatie: Proceedings van de Nationale Academie van Wetenschappen

Aangeboden door Cornell University




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Braziliaanse onderzoekers ontdekken zes nieuwe soorten zijdemiereneter
  2. Vliegenjager heeft 30 nieuwe soorten beschreven
  3. Wetenschappers werken samen aan onderzoek om bedreigde Afrikaanse pinguïns te redden
  4. Hoeveel mogelijke combinaties van eiwitten zijn mogelijk met 20 verschillende aminozuren?
  5. Belangrijke feiten over het koninkrijk Monera
  6. Genetische analyses onthullen nieuwe virussen aan de horizon
  7. Endoplasmatisch reticulum:ruw ER versus glad ER
  8. Kun je verslaafd zijn aan endorfine?
  9. "What Does Heterozygous Mean?

Wetenschap