Durante anos, os cientistas vêm tentando projetar minúsculos cílios artificiais para sistemas robóticos em miniatura que podem realizar movimentos complexos, incluindo flexão, torção e reversão. Construir essas microestruturas menores que um cabelo humano normalmente requer processos de fabricação de várias etapas e estímulos variados para criar os movimentos complexos, limitando suas aplicações em larga escala.
Agora, pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard John A. Paulson (SEAS) desenvolveram uma microestrutura de material único e estímulo único que pode superar até mesmo os cílios vivos. Essas estruturas programáveis ​​em escala micro podem ser usadas para uma variedade de aplicações, incluindo robótica leve, dispositivos médicos biocompatíveis e até criptografia dinâmica de informações.

A pesquisa é publicada na Nature .

"Inovações em materiais auto-regulados adaptativos que são capazes de um conjunto diversificado de movimentos programados representam um campo muito ativo, que está sendo abordado por equipes interdisciplinares de cientistas e engenheiros", disse Joanna Aizenberg, professora de Ciência dos Materiais e Professor de Química e Biologia Química na SEAS e autor sênior do artigo. "Os avanços alcançados neste campo podem impactar significativamente a maneira como projetamos materiais e dispositivos para uma variedade de aplicações, incluindo robótica, medicina e tecnologias da informação".

Ao contrário de pesquisas anteriores, que dependiam principalmente de materiais multicomponentes complexos para alcançar o movimento programável de elementos estruturais reconfiguráveis, Aizenberg e sua equipe projetaram um pilar de microestrutura feito de um único material - um elastômero de cristal líquido fotorresponsivo. Devido à maneira como os blocos de construção fundamentais do elastômero de cristal líquido estão alinhados, quando a luz atinge a microestrutura, esses blocos de construção se realinham e a estrutura muda de forma.

À medida que essa mudança de forma ocorre, duas coisas acontecem. Primeiro, o ponto onde a luz atinge torna-se transparente, permitindo que a luz penetre ainda mais no material, causando deformações adicionais. Segundo, à medida que o material se deforma e a forma se move, um novo ponto no pilar é exposto à luz, fazendo com que essa área também mude de forma.

Esse ciclo de feedback impulsiona a microestrutura em um ciclo de movimento semelhante a um curso.

"Esse ciclo de feedback interno e externo nos dá um material autorregulado. Uma vez que você acende a luz, ela faz todo o seu trabalho", disse Shucong Li, estudante de pós-graduação do Departamento de Química e Biologia Química de Harvard e co- primeiro autor do artigo.

Quando a luz se apaga, o material volta à sua forma original.

As torções e movimentos específicos do material mudam com sua forma, tornando essas estruturas simples infinitamente reconfiguráveis ​​e ajustáveis. Usando um modelo e experimentos, os pesquisadores demonstraram os movimentos de estruturas redondas, quadradas, em forma de L e T e em forma de palmeira e expuseram todas as outras maneiras pelas quais o material pode ser ajustado.

"Mostramos que podemos programar a coreografia dessa dança dinâmica adaptando uma série de parâmetros, incluindo ângulo de iluminação, intensidade da luz, alinhamento molecular, geometria da microestrutura, temperatura e intervalos e duração de irradiação", disse Michael M. Lerch, pós-doutorando. bolsista do Aizenberg Lab e co-primeiro autor do artigo.

Para adicionar outra camada de complexidade e funcionalidade, a equipe de pesquisa também demonstrou como esses pilares interagem entre si como parte de um array.

"Quando esses pilares são agrupados, eles interagem de maneiras muito complexas, porque cada pilar deformante projeta uma sombra no seu vizinho, que muda ao longo do processo de deformação", disse Li. "Programar como essas autoexposições mediadas por sombras mudam e interagem dinamicamente umas com as outras pode ser útil para aplicações como criptografia dinâmica de informações".

“O vasto espaço de design para movimentos individuais e coletivos é potencialmente transformador para robótica leve, micro-andadores, sensores e sistemas robustos de criptografia de informações”, disse Aizenberg. + Explorar mais

Transformando círculos em quadrados:pesquisadores reconfiguram a topologia do material em microescala