Le capacità di torsione e flessione del sistema muscolare umano consentono una gamma di movimento varia e dinamica, dal camminare e correre al raggiungere e afferrare. Replicare qualcosa di apparentemente semplice come agitare una mano in un robot, però, richiede una complessa serie di motori, pompe, attuatori e algoritmi. I ricercatori dell'Università di Pittsburgh e dell'Università di Harvard hanno recentemente progettato un polimero noto come elastomero a cristalli liquidi (LCE) che può essere "programmato" per torcersi e piegarsi in presenza di luce.

La ricerca, pubblicato sulla rivista Progressi scientifici è stato sviluppato alla Swanson School of Engineering di Pitt da Anna C. Balazs, Professore distinto di ingegneria chimica e petrolifera e cattedra di ingegneria John A. Swanson; e James T. Waters, associato post-dottorato e primo autore del documento. Altri ricercatori del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering dell'Università di Harvard e della John A. Paulson School of Engineering includono Joanna Aizenberg, Michael Aizenberg, Michael Lerch, Shucong Li e Yuxing Yao.

Questi particolari LCE sono achirali:la struttura e la sua immagine speculare sono identiche. Questo non è vero per un oggetto chirale, come una mano umana, che non è sovrapponibile con un'immagine speculare di se stesso. In altre parole, la mano destra non può essere convertita spontaneamente in mano sinistra. Quando l'LCE achirale è esposto alla luce, però, può ruotare in modo controllabile e reversibile a destra o a sinistra, formando strutture sia destre che sinistre.

"La chiralità delle molecole e dei sistemi di materiali spesso ne determina le proprietà, "Il Dr. Balazs ha spiegato. "La capacità di alterare dinamicamente e reversibilmente la chiralità o guidare una struttura achirale in una chirale potrebbe fornire un approccio unico per modificare al volo le proprietà di un determinato sistema." Ad oggi, però, raggiungere questo livello di mutabilità strutturale rimane una sfida ardua. Quindi, questi risultati sono entusiasmanti perché questi LCE sono intrinsecamente achirali ma possono diventare chirali in presenza di luce ultravioletta e tornare ad achirali quando la luce viene rimossa".

I ricercatori hanno scoperto questo comportamento dinamico distintivo attraverso la modellazione al computer di un microscopico palo LCE ancorato a una superficie in aria. Le molecole (i mesogeni) che si estendono dalla dorsale LCE sono tutte allineate a 45 gradi (rispetto alla superficie) da un campo magnetico; Inoltre, gli LCE sono reticolati con un materiale fotosensibile. "Quando abbiamo simulato di far brillare una luce in una direzione, le molecole LCE diventerebbero disorganizzate e l'intero post LCE si attorciglia a sinistra; splendilo nella direzione opposta e si torce a destra, " Il dottor Waters ha descritto. Questi risultati della modellazione sono stati corroborati dai risultati sperimentali del gruppo di Harvard.

Facendo un passo avanti, i ricercatori hanno utilizzato il loro modello computerizzato convalidato per progettare post LCE "chimera" in cui le molecole nella metà superiore del post sono allineate in una direzione e sono allineate in un'altra direzione nella metà inferiore. Con l'applicazione della luce, queste strutture chimeriche possono piegarsi e torcersi contemporaneamente, imitando il movimento complesso consentito dal sistema muscolare umano.

"Questo è molto simile a come un burattinaio controlla una marionetta, ma in questo caso la luce serve da corde, e possiamo creare movimenti dinamici e reversibili tramite accoppiamenti chimici, ottico, ed energia meccanica, " Ha detto il dottor Balazs. "Essere in grado di capire come progettare sistemi artificiali con questa complessa integrazione è fondamentale per creare materiali adattivi in ​​grado di rispondere ai cambiamenti nell'ambiente. Soprattutto nel campo della robotica morbida, questo è essenziale per costruire dispositivi che mostrino controllabili, comportamento dinamico senza la necessità di componenti elettronici complessi."