Credito:Università di Harvard
Per anni, gli scienziati hanno tentato di progettare minuscole ciglia artificiali per sistemi robotici in miniatura in grado di eseguire movimenti complessi, tra cui piegarsi, torcersi e invertire. La costruzione di queste microstrutture più piccole di un capello umano richiede in genere processi di fabbricazione in più fasi e stimoli variabili per creare i movimenti complessi, limitando le loro applicazioni su larga scala.
Ora, i ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hanno sviluppato una microstruttura a singolo materiale e a stimolo singolo che può superare anche le ciglia viventi. Queste strutture programmabili su scala micron potrebbero essere utilizzate per una vasta gamma di applicazioni, tra cui la robotica morbida, i dispositivi medici biocompatibili e persino la crittografia dinamica delle informazioni.
La ricerca è pubblicata su Natura .
"Le innovazioni nei materiali adattivi autoregolati che sono capaci di un insieme diversificato di movimenti programmati rappresentano un campo molto attivo, che viene affrontato da team interdisciplinari di scienziati e ingegneri", ha affermato Joanna Aizenberg, professoressa di scienza dei materiali di Amy Smith Berylson e Professore di Chimica e Biologia Chimica al SEAS e autore senior dell'articolo. "I progressi raggiunti in questo campo possono avere un impatto significativo sul modo in cui progettiamo materiali e dispositivi per una varietà di applicazioni, tra cui robotica, medicina e tecnologie dell'informazione".
A differenza della ricerca precedente, che si basava principalmente su materiali multicomponenti complessi per ottenere il movimento programmabile di elementi strutturali riconfigurabili, Aizenberg e il suo team hanno progettato un pilastro di microstruttura fatto di un unico materiale:un elastomero a cristalli liquidi fotoreattivo. A causa del modo in cui gli elementi costitutivi fondamentali dell'elastomero a cristalli liquidi sono allineati, quando la luce colpisce la microstruttura, questi elementi costitutivi si riallineano e la struttura cambia forma.
Quando si verifica questo cambiamento di forma, accadono due cose. Innanzitutto, il punto in cui la luce colpisce diventa trasparente, consentendo alla luce di penetrare ulteriormente nel materiale, causando ulteriori deformazioni. In secondo luogo, quando il materiale si deforma e la forma si muove, un nuovo punto sul pilastro viene esposto alla luce, facendo cambiare forma anche a quell'area.
Questo ciclo di feedback spinge la microstruttura in un ciclo di movimento simile a un ictus.
"Questo ciclo di feedback interno ed esterno ci fornisce un materiale autoregolante. Una volta accesa la luce, fa tutto il suo lavoro", ha affermato Shucong Li, uno studente laureato presso il Dipartimento di Chimica e Biologia Chimica di Harvard e co- primo autore del saggio.
Quando la luce si spegne, il materiale torna alla sua forma originale.
Le torsioni e i movimenti specifici del materiale cambiano con la sua forma, rendendo queste semplici strutture infinitamente riconfigurabili e regolabili. Utilizzando un modello ed esperimenti, i ricercatori hanno dimostrato i movimenti di strutture rotonde, quadrate, a forma di L e T e di palma e hanno esposto tutti gli altri modi in cui il materiale può essere regolato.
"Abbiamo dimostrato che possiamo programmare la coreografia di questa danza dinamica adattando una gamma di parametri, tra cui angolo di illuminazione, intensità della luce, allineamento molecolare, geometria della microstruttura, temperatura e intervalli e durata di irradiazione", ha affermato Michael M. Lerch, un post-dottorato borsista dell'Aizenberg Lab e co-primo autore dell'articolo.
Per aggiungere un altro livello di complessità e funzionalità, il team di ricerca ha anche dimostrato come questi pilastri interagiscono tra loro come parte di un array.
"Quando questi pilastri sono raggruppati, interagiscono in modi molto complessi perché ogni pilastro deformante getta un'ombra sul suo vicino, che cambia durante il processo di deformazione", ha affermato Li. "Programmare il modo in cui queste auto-esposizioni mediate dall'ombra cambiano e interagiscono dinamicamente tra loro potrebbe essere utile per applicazioni come la crittografia dinamica delle informazioni".
"Il vasto spazio di progettazione per i movimenti individuali e collettivi è potenzialmente trasformativo per la robotica morbida, i micro-walker, i sensori e i robusti sistemi di crittografia delle informazioni", ha affermato Aizenberg. + Esplora ulteriormente
