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自调节无限可编程人造纤毛问世

2022-05-09 09:17:54 | 来源: 科技日报 | 责编: 郑思雯
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  多年来,科学家们一直在尝试为微型机器人系统设计微小的人造纤毛,以期该系统可执行复杂运动,包括弯曲、扭曲和反转。美国哈佛大学研究人员开发了一种单材料、单刺激的微结构,甚至可以超越活纤毛。这些可编程的微米级结构能用于包括柔性机器人、生物相容性医疗设备,甚至动态信息加密等一系列应用。该研究近日发表于《自然》杂志上。

  构建比人类发丝还小的微结构,通常需要多步制造过程和不同的刺激来产生复杂的运动,这限制了它们的广泛应用。

  哈佛大学工程与应用科学学院化学与化学生物学教授乔安娜·艾森伯格称,能够进行各种程序化运动的自适应、自调节材料,代表了一个重要创新,这一领域的进展会影响各种设计材料和设备运行方式,包括机器人、医学和信息技术。

  与之前主要依靠复杂材料来实现可重构元件的可编程运动不同,艾森伯格团队设计了一种由单一材料(光响应液晶弹性体)制成的微结构柱。鉴于液晶弹性体基本结构的单元排列方式,当光线照射时,其会重新排列且形状发生改变。

  随着这种变化会发生两件事。首先,光线照射的地方变得透明,允许光线进一步穿透到材料中,再导致额外的变形;其次,随着材料变形和形状移动,柱子上的一个新点暴露在光线下,导致该区域也改变了形状。这个反馈回路,推动微结构进入运动循环。

  研究人员表示,“内部和外部反馈循环为我们提供了一种自我调节的材料。一旦你打开灯,它就会自行完成所有工作。当灯关闭时,材料会恢复到原来的形状”。

  材料的特定扭曲和运动随其形状而变化,使这些简单的结构可“无休止地”重新配置和调整。研究人员使用模型和实验展示了圆形、方形、L形和T形以及棕榈树形结构的运动,并尝试了材料可调整的所有其他方式。

  研究表明,通过调整一系列参数来编程,可以进行包括照明角度、光强度、分子排列、微观结构几何形状、温度以及照射间隔和持续时间的变化。

  艾森伯格称,个体和集体运动的巨大设计空间,意味着柔性机器人、传感器和强大信息加密系统未来潜在的变革性。

 

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