Az Egyesült Államok és Szlovénia tudósai egy apró úszórobotot építettek, amely folyadékkristályok felhasználásával evez. Kathleen Stebe A Pennsylvaniai Egyetem munkatársa a Ljubljanai Egyetem munkatársaival együtt folyadékkristályokba ágyazott forgó mikrorészecskéket tanulmányozott. Felfedezték, hogy a forgás a környező folyadékkristály-molekulák hirtelen átrendeződését váltja ki, ami úszócsapásként működik, és megmozdítja a mikrorobotot. ben megjelent lapokban Tudomány előlegek és a Fejlett funkcionális anyagok, megvizsgálják ezt a meghajtást, és egy funkcionális nanorobot rakományszállító építésére használják.
„Mint minden legjobb projektnek, ennek a projektnek is voltak felfedező és derűs elemei” – mondja Stebe, aki a „fizikai intelligencia” fogalmát használja a mikrochip méreténél alacsonyabb robotok építésére. Ahelyett, hogy számítógép hajtaná végre, a robot viselkedése a környezetével való interakcióba van kódolva. A folyadékkristályok ígéretes anyagok mikrogépek készítéséhez, mivel anizotrópok, képesek megtörni a szimmetriát még gömb alakú akadályok körül is. Ezenkívül nem newtoni, és komplex áramlásokat generálnak, amikor kiszorulnak az egyensúlyból.
„Szerényes” felfedezés
Stebe csapata abból az ötletből indult ki, hogy a folyadékkristályok funkcionalitást adnak egy meglévő rendszerhez; mágneses térben forgó ferromágneses korongok. A beágyazott részecskék szingularitásokat idéznek elő a folyadékkristályok elrendezésében, és a kutatók azt jósolták, hogy a szingularitások közötti kölcsönhatás lehetővé teszi, hogy egy forgó kereszt alakú korong befogjon és felszabadítson egy kisebb gömb alakú rakományrészecskét. A laboratóriumban megfigyelték, hogy ahogy a korong forog, a szingularitás karról karra ugrott, miközben a rakományrészecske követte. Ezekben a kísérletekben, amelyeket végzős hallgató vezetett Tianyi Yao (most az Intelnél) is láttak valami váratlant; ahogy forogtak, a korongok átúsztak a folyadékkristályon.
Stebe csapata meg akarta érteni ezt a jelenséget, és a rendszer bonyolultságát egy forgó kör alakú korongra redukálta. Ismét mozgást figyeltek meg a folyadékkristályon keresztül. A meghajtó mechanizmusra utaló nyom egy vékony vonal volt, amely mikroszkópban látható, és a folyadékkristály rendellenességére utal. Ez a vonal a szingularitásból eredt, és végigsöpört a lemez felületén (lásd a fenti videót). Stebe csapata együttműködött Miha Ravnik csoportja a Ljubljanai Egyetemen a folyadékkristály numerikus szimulációinak elvégzésére a szingularitás körül. A szimulációk, amelyeket a posztdok Žiga Kos megerősítette az egyensúlyi hiba szerkezetét, és azt sugallta, hogy a folyadékkristály rugalmassága kulcsfontosságú a meghajtáshoz. A kísérlet és a szimuláció kombinálásával a kutatók elméletet dolgoztak ki az úszórobotok leírására.
A nyújtható hibák lehetővé teszik az úszást
Amikor a korong forog, a hiba kezdetben a részecskére tapadva marad, és a folyadékkristályt egy vonalban nyújtja az éles perem körül, mint egy rugalmas szalag. Végül ennek a vonalhibának az energiája akkora lesz, hogy felszabadul, és hirtelen végigsöpör a részecske felületén, mint egy közönséghullám, amely a stadionon áthalad.
Ez a hirtelen átrendeződés erőt fejt ki a korong egyik oldalára, és a szélére dönti. Mire visszabillen, a folyadékkristály visszatér a feszítetlen konfigurációjába, és ez az egyszerű mozgás megmozdítja a részecskét. A kutatók azt is bebizonyították, hogy az úszót íves úton lehet manipulálni az alkalmazott mágneses tér frekvenciájának megváltoztatásával.
A kutatók arra számítanak, hogy a mikrorobotok további vizsgálata lefoglalja őket (lásd a fenti videót). Stebe azt mondja: „Izgalmas időszak ez, mert láttunk valami szépet, és ezt ki tudtuk hasznosítani néhány fejlett funkcionális anyagban. Sok fontos szempontot el tudtunk magyarázni, és fel tudtuk tárni a leplet, hol kell még többet tennünk közösségként.” Stebe-nek sok kérdése van a folyadékkristály és a korong éles széle közötti kölcsönhatásról, és reméli, hogy az úszó alapvető aspektusainak megértése nagyobb erőt ad számukra a funkcionális mikrorobotok tervezésében a jövőben.
