Cilios artificiales autopropulsados, infinitamente programables

Cilios artificiales autopropulsados, infinitamente programables


05 mayo 2022

(Noticias de Nanowerk) Investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS) han diseñado una microestructura de un solo material y un solo estímulo que puede superar incluso a los cilios vivos. Estas estructuras programables a escala micrométrica podrían usarse para una variedad de aplicaciones, incluida la robótica blanda, los dispositivos médicos biocompatibles e incluso el cifrado de información dinámica.

Durante años, los científicos han tratado de construir diminutos cilios artificiales para sistemas robóticos en miniatura que pueden realizar movimientos complejos, como doblarse, torcerse y voltearse. La construcción de estas microestructuras, que son más pequeñas que un cabello humano, generalmente requiere procesos de fabricación de varios pasos y diferentes estímulos para generar movimientos complejos, lo que limita su amplia gama de aplicaciones.

Ahora, los investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS) han diseñado una microestructura de un solo material y un solo estímulo que puede superar incluso a los cilios vivos. Estas estructuras programables a escala micrométrica podrían usarse para una variedad de aplicaciones, incluida la robótica blanda, los dispositivos médicos biocompatibles e incluso el cifrado de información dinámica.

La investigación se publica en Naturaleza («Movimientos no recíprocos autorregulados en microestructuras de un solo material»). microestructuras simples en un microarreglo dispuesto radialmente Las microestructuras simples en una micromatriz dispuesta radialmente, como se ve aquí, pueden ejecutar ondas viajeras complejas desde postes que interactúan localmente. (Imagen: Joanna Aizenberg, Harvard SEAS)

«La innovación en materiales autorreguladores adaptables capaces de una variedad de movimientos programados representa un área muy activa que está siendo abordada por equipos interdisciplinarios de científicos e ingenieros», dijo Joanna Aizenberg, profesora Amy Smith Berylson de ciencia de los materiales y profesora de química y biología química en la SEAS y autor principal del artículo. «Los avances en este campo pueden afectar significativamente la forma en que diseñamos materiales y dispositivos para una variedad de aplicaciones, incluidas la robótica, la medicina y las tecnologías de la información».

A diferencia de investigaciones anteriores, que se basaban principalmente en materiales multicomponentes complejos para lograr el movimiento programable de elementos estructurales reconfigurables, Aizenberg y su equipo diseñaron un pilar microestructural a partir de un solo material: un elastómero de cristal líquido fotorreactivo. Debido a la forma en que se alinean los componentes básicos del elastómero de cristal líquido, cuando la luz incide en la microestructura, estos componentes se realinean y la estructura cambia de forma.

Cuando ocurre este cambio de forma, suceden dos cosas. En primer lugar, el punto donde incide la luz se vuelve transparente, lo que permite que la luz penetre más en el material y provoque una deformación adicional. En segundo lugar, a medida que el material se deforma y la forma se mueve, un nuevo punto de la columna queda expuesto a la luz, lo que hace que esa área también cambie de forma.

Este bucle de retroalimentación lleva a la microestructura a un ciclo de movimiento similar a un latido.

“Este ciclo de retroalimentación interna y externa nos brinda un material autorregulador. Tan pronto como enciendes la luz, hace todo su trabajo por sí mismo», dijo Shucong Li, estudiante graduado en el Departamento de Química y Biología Química de Harvard y coautor del artículo.

Cuando la luz se apaga, el material vuelve a su forma original.

Los giros y movimientos específicos del material cambian con su forma, lo que permite que estas estructuras simples se reconfiguren y ajusten sin fin. Usando un modelo y experimentos, los investigadores demostraron los movimientos de estructuras redondas, cuadradas, en forma de L y T y en forma de palma, y ​​mapearon todas las otras formas en que se puede sintonizar el material.

«Hemos demostrado que podemos programar la coreografía de esta danza dinámica mediante el ajuste de una serie de parámetros, incluidos los ángulos de iluminación, la intensidad de la luz, la alineación molecular, la geometría de la microestructura, la temperatura y los intervalos y la duración de la irradiación», dijo Michael M. Lerch, posdoctoral compañero en Aizenberg Lab y co-primer autor del trabajo.

Para agregar otra capa de complejidad y funcionalidad, el equipo de investigación también demostró cómo estas columnas interactúan entre sí como parte de una matriz.

«Cuando estas columnas se agrupan, interactúan de formas muy complejas, ya que cada columna que se deforma proyecta una sombra sobre su vecino que cambia durante el proceso de deformación. La programación de cómo estas representaciones mediadas por sombras cambian y interactúan dinámicamente entre sí. «interactuar podría ser útil para aplicaciones como el cifrado dinámico de información».

«El vasto espacio de diseño para el movimiento individual y colectivo es potencialmente transformador para la robótica suave, los microcaminantes, los sensores y los sistemas robustos de codificación de información», dijo Aizenberg.



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