多年來，科學(xué)家們一直在嘗試為微型機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)微小的人造纖毛，以期該系統(tǒng)可執(zhí)行復(fù)雜運(yùn)動，包括彎曲、扭曲和反轉(zhuǎn)。美國哈佛大學(xué)研究人員開發(fā)了一種單材料、單刺激的微結(jié)構(gòu)，甚至可以超越活纖毛。這些可編程的微米級結(jié)構(gòu)能用于包括柔性機(jī)器人、生物相容性醫(yī)療設(shè)備，甚至動態(tài)信息加密等一系列應(yīng)用。該研究近日發(fā)表于《自然》雜志上。
構(gòu)建比人類發(fā)絲還小的微結(jié)構(gòu)，通常需要多步制造過程和不同的刺激來產(chǎn)生復(fù)雜的運(yùn)動，這限制了它們的廣泛應(yīng)用。
哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院化學(xué)與化學(xué)生物學(xué)教授喬安娜·艾森伯格稱，能夠進(jìn)行各種程序化運(yùn)動的自適應(yīng)、自調(diào)節(jié)材料，代表了一個重要創(chuàng)新，這一領(lǐng)域的進(jìn)展會影響各種設(shè)計(jì)材料和設(shè)備運(yùn)行方式，包括機(jī)器人、醫(yī)學(xué)和信息技術(shù)。
與之前主要依靠復(fù)雜材料來實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)元件的可編程運(yùn)動不同，艾森伯格團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種由單一材料(光響應(yīng)液晶彈性體)制成的微結(jié)構(gòu)柱。鑒于液晶彈性體基本結(jié)構(gòu)的單元排列方式，當(dāng)光線照射時，其會重新排列且形狀發(fā)生改變。
隨著這種變化會發(fā)生兩件事。首先，光線照射的地方變得透明，允許光線進(jìn)一步穿透到材料中，再導(dǎo)致額外的變形;其次，隨著材料變形和形狀移動，柱子上的一個新點(diǎn)暴露在光線下，導(dǎo)致該區(qū)域也改變了形狀。這個反饋回路，推動微結(jié)構(gòu)進(jìn)入運(yùn)動循環(huán)。
研究人員表示，“內(nèi)部和外部反饋循環(huán)為我們提供了一種自我調(diào)節(jié)的材料。一旦你打開燈，它就會自行完成所有工作。當(dāng)燈關(guān)閉時，材料會恢復(fù)到原來的形狀”。
材料的特定扭曲和運(yùn)動隨其形狀而變化，使這些簡單的結(jié)構(gòu)可“無休止地”重新配置和調(diào)整。研究人員使用模型和實(shí)驗(yàn)展示了圓形、方形、L形和T形以及棕櫚樹形結(jié)構(gòu)的運(yùn)動，并嘗試了材料可調(diào)整的所有其他方式。
研究表明，通過調(diào)整一系列參數(shù)來編程，可以進(jìn)行包括照明角度、光強(qiáng)度、分子排列、微觀結(jié)構(gòu)幾何形狀、溫度以及照射間隔和持續(xù)時間的變化。
艾森伯格稱，個體和集體運(yùn)動的巨大設(shè)計(jì)空間，意味著柔性機(jī)器人、傳感器和強(qiáng)大信息加密系統(tǒng)未來潛在的變革性。(記者 張夢然)
關(guān)鍵詞： 自調(diào)節(jié)無限可編程人造纖毛問世 未來應(yīng)用場景廣闊 微型機(jī)器人系統(tǒng) 人造纖毛
營業(yè)執(zhí)照公示信息