Wetenschappers in de VS en Slovenië hebben een kleine zwemrobot gebouwd die peddelt met vloeibare kristallen. Kathleen Stebe van de Universiteit van Pennsylvania, samen met medewerkers van de Universiteit van Ljubljana, bestudeerde roterende microdeeltjes ingebed in een vloeibaar kristal. Ze ontdekten dat de rotatie plotselinge herschikkingen van de omringende vloeibaar-kristalmoleculen veroorzaakt, die als een zwemslag werken en de microrobot voortstuwen. In artikelen gepubliceerd in Wetenschap Advances en Geavanceerde functionele materialen, onderzoeken ze deze voortstuwing en gebruiken ze om een vrachtdragende functionele nanorobot te bouwen.
"Zoals alle beste projecten had dit project elementen van ontdekking en serendipiteit", zegt Stebe, die het concept van "fysieke intelligentie" gebruikt om robots te bouwen die kleiner zijn dan een microchip. In plaats van te worden uitgevoerd door een computer, wordt het gedrag van de robot gecodeerd in de interactie met zijn omgeving. Vloeibare kristallen zijn een veelbelovend materiaal om micromachines in te bouwen, omdat ze anisotroop zijn en in staat zijn om de symmetrie rond zelfs bolvormige obstakels te doorbreken. Ze zijn ook niet-Newtoniaans en genereren complexe stromen wanneer ze uit evenwicht worden geduwd.
"Toevallige" ontdekking
Het team van Stebe begon met het idee dat vloeibare kristallen functionaliteit zouden toevoegen aan een bestaand systeem; ferromagnetische schijven die in een magnetisch veld draaien. Ingebedde deeltjes produceren singulariteiten in de uitlijning van het vloeibare kristal en de onderzoekers voorspelden dat de interactie tussen singulariteiten een roterende kruisvormige schijf in staat zou stellen een kleiner bolvormig ladingdeeltje te vangen en vrij te geven. In het laboratorium zagen ze dat terwijl de schijf ronddraaide, de singulariteit van arm naar arm sprong met het vrachtdeeltje dat volgde. In deze experimenten, die werden geleid door afgestudeerde student Tianyi Yao (nu bij Intel), zagen ze ook iets onverwachts; terwijl ze ronddraaiden, zwommen de schijven door het vloeibare kristal.
Om dit fenomeen te begrijpen, heeft het team van Stebe de complexiteit van het systeem teruggebracht tot een roterende cirkelvormige schijf. Nogmaals, ze observeerden voortbeweging door het vloeibare kristal. Een aanwijzing voor het voortstuwingsmechanisme was een dunne lijn, zichtbaar in een microscoop en duidend op wanorde in het vloeibare kristal. Deze lijn kwam voort uit de singulariteit en liep over het oppervlak van de schijf (zie bovenstaande video). Het team van Stebe werkte samen met De groep van Miha Ravnik aan de Universiteit van Ljubljana om numerieke simulaties uit te voeren van het vloeibare kristal rond de singulariteit. De simulaties, uitgevoerd door postdoc iga Kos bevestigde de structuur van het defect in evenwicht en suggereerde dat de elasticiteit van het vloeibare kristal de sleutel was tot de voortstuwing. Door experiment en simulatie te combineren, ontwikkelden de onderzoekers een theorie om de zwemmende robots te beschrijven.
Rekbare defecten maken zwemmen mogelijk
Wanneer de schijf draait, blijft het defect aanvankelijk aan het deeltje vastgepind, waardoor het vloeibare kristal in een lijn rond de scherpe rand wordt uitgerekt als een elastische band. Uiteindelijk wordt de energie van dit lijndefect zo groot dat het losbreekt en plotseling over het oppervlak van het deeltje strijkt, als een publieksgolf die door een stadion beweegt.
Deze plotselinge herschikking oefent een kracht uit op één zijde van de schijf, waardoor deze op zijn rand kantelt. Tegen de tijd dat het naar achteren kantelt, is het vloeibare kristal teruggekeerd naar zijn niet-uitgerekte configuratie, en deze eenvoudige beweging stuwt het deeltje voort. De onderzoekers toonden ook aan dat de zwemmer in een gebogen baan kan worden gemanipuleerd door de frequentie van het aangelegde magnetische veld te veranderen.
De onderzoekers verwachten dat het verder onderzoeken van de microrobots hen bezig zal houden (zie bovenstaande video). Stebe zegt: “Het is een spannende tijd, want we hebben iets moois gezien, we hebben het kunnen gebruiken in geavanceerde functionele materialen. We hebben veel belangrijke aspecten kunnen uitleggen en we hebben kunnen onthullen waar we als gemeenschap meer moeten doen.” Stebe heeft veel vragen over de interactie tussen het vloeibare kristal en de scherpe rand van de schijf en hoopt dat het begrijpen van de fundamentele aspecten van de zwemmer hen in de toekomst meer macht zal geven om functionele microrobots te ontwerpen.
