โครงสร้างจุลภาคอย่างง่ายที่โค้งงอ บิด และเคลื่อนไหวแบบจังหวะสามารถใช้กับหุ่นยนต์อ่อน อุปกรณ์ทางการแพทย์ และอื่นๆ

เป็นเวลาหลายปีที่นักวิทยาศาสตร์ได้พยายามสร้าง cilia เทียมขนาดเล็กสำหรับระบบหุ่นยนต์ขนาดเล็กที่สามารถทำการเคลื่อนไหวที่ซับซ้อนได้ รวมถึงการดัด การบิด และการย้อนกลับ โดยทั่วไปแล้ว การสร้างโครงสร้างจุลภาคที่มีขนาดเล็กกว่าผมมนุษย์ต้องใช้กระบวนการผลิตหลายขั้นตอนและสิ่งเร้าที่แตกต่างกันเพื่อสร้างการเคลื่อนไหวที่ซับซ้อน โดยจำกัดการใช้งานในวงกว้าง

ตอนนี้นักวิจัยจาก Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ได้พัฒนาโครงสร้างจุลภาคที่กระตุ้นด้วยวัสดุเพียงชิ้นเดียวซึ่งสามารถเอาชนะได้แม้กระทั่ง cilia ที่มีชีวิต โครงสร้างขนาดไมครอนที่ตั้งโปรแกรมได้เหล่านี้สามารถใช้กับแอพพลิเคชั่นต่างๆ รวมถึงหุ่นยนต์แบบนิ่ม อุปกรณ์ทางการแพทย์ที่เข้ากันได้ทางชีวภาพ และแม้กระทั่งการเข้ารหัสข้อมูลแบบไดนามิก

งานวิจัยเผยแพร่ใน ธรรมชาติ.

Joanna Aizenberg, Amy Smith Berylson Professor of Materials Science and กล่าวว่า “นวัตกรรมในวัสดุที่ควบคุมตนเองแบบปรับตัวได้ซึ่งสามารถเคลื่อนไหวตามโปรแกรมได้หลากหลายเป็นตัวแทนของสาขาที่กระตือรือร้นมาก ซึ่งกำลังถูกแก้ไขโดยทีมสหวิทยาการของนักวิทยาศาสตร์และวิศวกร” ศาสตราจารย์วิชาเคมีและชีววิทยาเคมีที่ SEAS และผู้เขียนอาวุโสของบทความ “ความก้าวหน้าในสาขานี้อาจส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อวิธีที่เราออกแบบวัสดุและอุปกรณ์สำหรับการใช้งานที่หลากหลาย รวมถึงวิทยาการหุ่นยนต์ ยา และเทคโนโลยีสารสนเทศ”

ซึ่งแตกต่างจากงานวิจัยก่อนหน้านี้ ซึ่งอาศัยวัสดุที่มีหลายองค์ประกอบที่ซับซ้อนเป็นส่วนใหญ่ เพื่อให้สามารถเคลื่อนที่โปรแกรมขององค์ประกอบโครงสร้างที่กำหนดค่าใหม่ได้ ไอเซนเบิร์กและทีมงานของเธอได้ออกแบบเสาโครงสร้างจุลภาคที่ทำจากวัสดุเพียงชนิดเดียว นั่นคือ อีลาสโตเมอร์คริสตัลเหลวที่ตอบสนองต่อแสง เนื่องจากวิธีการสร้างบล็อคพื้นฐานของอีลาสโตเมอร์ผลึกเหลว เมื่อแสงกระทบกับโครงสร้างจุลภาค บล็อคการสร้างเหล่านี้จะปรับแนวใหม่และโครงสร้างจะเปลี่ยนรูปร่าง

เมื่อการเปลี่ยนแปลงรูปร่างนี้เกิดขึ้น สองสิ่งจะเกิดขึ้น ประการแรก จุดที่แสงตกกระทบจะโปร่งใส ทำให้แสงสามารถทะลุเข้าไปในวัสดุได้มากขึ้น ทำให้เกิดการเสียรูปเพิ่มเติม ประการที่สอง เมื่อวัสดุเปลี่ยนรูปและรูปร่างเคลื่อนที่ จุดใหม่บนเสาจึงได้รับแสง ทำให้บริเวณนั้นเปลี่ยนรูปร่างด้วย

วงจรป้อนกลับนี้ขับเคลื่อนโครงสร้างจุลภาคให้เป็นวัฏจักรของการเคลื่อนไหวแบบสโตรก

“การป้อนกลับแบบวนซ้ำภายในและภายนอกนี้ทำให้เรามีเนื้อหาที่ควบคุมตนเองได้ เมื่อคุณเปิดไฟ ไฟจะทำงานทั้งหมดของมันเอง” Shucong Li นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาในภาควิชาเคมีและชีววิทยาเคมีที่ Harvard และ co- ผู้เขียนคนแรกของบทความ

เมื่อไฟดับลง วัสดุก็จะกลับคืนสู่สภาพเดิม

การบิดและการเคลื่อนไหวเฉพาะของวัสดุจะเปลี่ยนไปตามรูปร่าง ทำให้โครงสร้างที่เรียบง่ายเหล่านี้สามารถกำหนดค่าและปรับแต่งใหม่ได้ไม่รู้จบ นักวิจัยได้สาธิตการเคลื่อนที่ของโครงสร้างทรงกลม สี่เหลี่ยม รูปตัว L และ T และรูปต้นปาล์มโดยใช้แบบจำลองและการทดลอง และจัดวางวิธีอื่นๆ ที่สามารถปรับวัสดุได้

Michael M. Lerch นักวิจัยหลังปริญญาเอกกล่าวว่า “เราแสดงให้เห็นว่าเราสามารถตั้งโปรแกรมการออกแบบท่าเต้นของการเต้นแบบไดนามิกนี้โดยปรับแต่งช่วงของพารามิเตอร์ต่างๆ รวมถึงมุมการส่องสว่าง ความเข้มของแสง การจัดตำแหน่งโมเลกุล เรขาคณิตของโครงสร้างจุลภาค อุณหภูมิ และช่วงเวลาและระยะเวลาการฉายรังสี เพื่อนใน Aizenberg Lab และผู้ร่วมเขียนบทความฉบับแรก

เพื่อเพิ่มความซับซ้อนและการทำงานอีกชั้นหนึ่ง ทีมวิจัยยังได้แสดงให้เห็นว่าเสาหลักเหล่านี้มีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกันในฐานะส่วนหนึ่งของอาร์เรย์อย่างไร

“เมื่อเสาเหล่านี้ถูกรวมกลุ่มเข้าด้วยกัน พวกมันจะมีปฏิสัมพันธ์ในรูปแบบที่ซับซ้อนมาก เนื่องจากเสาแต่ละต้นที่บิดเบี้ยวจะสร้างเงาให้เพื่อนบ้าน ซึ่งเปลี่ยนแปลงไปตลอดกระบวนการเปลี่ยนรูป” หลี่กล่าว “การเขียนโปรแกรมว่าการเปิดเผยตัวเองโดยใช้เงาเหล่านี้เปลี่ยนแปลงและโต้ตอบกันแบบไดนามิกอาจเป็นประโยชน์สำหรับแอปพลิเคชันเช่นการเข้ารหัสข้อมูลแบบไดนามิก”

“พื้นที่การออกแบบที่กว้างขวางสำหรับการเคลื่อนไหวส่วนบุคคลและส่วนรวมอาจเปลี่ยนแปลงได้สำหรับหุ่นยนต์นุ่ม ไมโครวอล์คเกอร์ เซ็นเซอร์ และระบบเข้ารหัสข้อมูลที่แข็งแกร่ง” ไอเซนเบิร์กกล่าว

บทความนี้ร่วมเขียนโดย James T. Waters, Bolei Deng, Reese S. Martens, Yuxing Yao, Do Yoon Kim, Katia Bertoldi, Alison Grinthal และ Anna C. Balazs ได้รับการสนับสนุนบางส่วนโดยสำนักงานวิจัยกองทัพสหรัฐฯ ภายใต้หมายเลขทุน W911NF-17-1-0351 และมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติผ่านศูนย์วิทยาศาสตร์และวิศวกรรมวิจัยวัสดุมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดภายใต้รางวัล DMR-2011754

.

(Visited 1 times, 1 visits today)

Be the first to comment

Leave a comment

Your email address will not be published.


*