As capacidades de torção e flexão do sistema muscular humano permitem uma amplitude de movimento variada e dinâmica, desde andar e correr até alcançar e agarrar. Replicar algo aparentemente tão simples como acenar com a mão em um robô, Contudo, requer uma série complexa de motores, bombas, atuadores e algoritmos. Pesquisadores da Universidade de Pittsburgh e da Universidade de Harvard desenvolveram recentemente um polímero conhecido como elastômero de cristal líquido (LCE) que pode ser "programado" para torcer e curvar na presença de luz.

A pesquisa, publicado no jornal Avanços da Ciência foi desenvolvido na Escola de Engenharia Swanson de Pitt por Anna C. Balazs, Distinguished Professor of Chemical and Petroleum Engineering e John A. Swanson Chair of Engineering; e James T. Waters, associado de pós-doutorado e primeiro autor do artigo. Outros pesquisadores do Instituto Wyss de Engenharia Inspirada na Biologia da Universidade de Harvard e da Escola de Engenharia John A. Paulson incluem Joanna Aizenberg, Michael Aizenberg, Michael Lerch, Shucong Li e Yuxing Yao.

Esses LCEs específicos são aquirais:a estrutura e sua imagem no espelho são idênticas. Isso não é verdade para um objeto quiral, como uma mão humana, que não se sobrepõe a uma imagem espelhada de si mesmo. Em outras palavras, a mão direita não pode ser convertida espontaneamente em uma mão esquerda. Quando o aquiral LCE é exposto à luz, Contudo, pode girar de forma controlada e reversível para a direita ou torcer para a esquerda, formando estruturas para destros e canhotos.

"A quiralidade de moléculas e sistemas de materiais muitas vezes dita suas propriedades, "Dr. Balazs explicou." A capacidade de alterar a quiralidade de forma dinâmica e reversível ou conduzir uma estrutura aquiral em uma quiral pode fornecer uma abordagem única para alterar as propriedades de um determinado sistema em tempo real. " Contudo, alcançar esse nível de mutabilidade estrutural continua sendo um desafio assustador. Portanto, essas descobertas são empolgantes porque esses LCEs são inerentemente aquirais, mas podem se tornar quirais na presença de luz ultravioleta e reverter para aquiral quando a luz é removida. "

Os pesquisadores descobriram esse comportamento dinâmico distinto por meio de sua modelagem por computador de um poste LCE microscópico ancorado a uma superfície no ar. As moléculas (os mesogênios) que se estendem do backbone LCE são todas alinhadas a 45 graus (em relação à superfície) por um campo magnético; além do que, além do mais, os LCEs são reticulados com um material sensível à luz. "Quando simulamos o brilho de uma luz em uma direção, as moléculas de LCE se tornariam desorganizadas e toda a coluna de LCE giraria para a esquerda; iluminar na direção oposta e girar para a direita, "Dr. Waters descreveu. Esses resultados de modelagem foram corroborados pelas descobertas experimentais do grupo de Harvard.

Indo um passo adiante, os pesquisadores usaram seu modelo de computador validado para projetar postes LCE "quimera", onde as moléculas na metade superior do poste são alinhadas em uma direção e estão alinhadas em outra direção na metade inferior. Com a aplicação de luz, essas estruturas quiméricas podem se dobrar e torcer simultaneamente, imitando o movimento complexo permitido pelo sistema muscular humano.

"É muito parecido com o modo como um titereiro controla uma marionete, mas, neste caso, a luz serve como cordas, e podemos criar movimentos dinâmicos e reversíveis por meio de produtos químicos de acoplamento, óptico, e energia mecânica, "Dr. Balazs disse." Ser capaz de entender como projetar sistemas artificiais com essa integração complexa é fundamental para a criação de materiais adaptativos que podem responder às mudanças no ambiente. Especialmente no campo da robótica leve, isso é essencial para a construção de dispositivos que podem ser controlados, comportamento dinâmico sem a necessidade de componentes eletrônicos complexos. "