Вчені зі США та Словенії створили крихітного робота-плавальника, який веслує за допомогою рідких кристалів. Кетлін Стебе Університету Пенсільванії разом із співробітниками з Університету Любляни досліджували мікрочастинки, що обертаються, вбудовані в рідкий кристал. Вони виявили, що обертання викликає раптові перегрупування навколишніх молекул рідкого кристала, що діє як плавальний гребок і приводить мікроробота в рух. У роботах, опублікованих в Наука розвивається та Розширені функціональні матеріали, вони досліджують цей двигун і використовують його для створення функціонального наноробота, що перевозить вантаж.
«Як і в усіх найкращих проектах, цей проект мав елементи відкриття та випадковості», — каже Стебе, який використовує концепцію «фізичного інтелекту» для створення роботів розміром менше мікрочіпа. Поведінка робота не виконується комп’ютером, а кодується у взаємодії з його середовищем. Рідкі кристали є перспективним матеріалом для створення мікромашин, оскільки вони анізотропні, здатні порушувати симетрію навколо навіть сферичних перешкод. Вони також є неньютонівськими і створюють складні потоки, коли їх виводять із стану рівноваги.
«Випадкове» відкриття
Команда Стебе починала з ідеї, що рідкі кристали додадуть функціональність існуючій системі; феромагнітні диски, що обертаються в магнітному полі. Вбудовані частинки створюють сингулярності у вирівнюванні рідкого кристала, і дослідники передбачили, що взаємодія між сингулярностями дозволить хрестоподібному диску, що обертається, захоплювати та випускати меншу сферичну частинку вантажу. У лабораторії вони помітили, що коли диск обертався, сингулярність стрибала з плеча на плече разом із частинкою вантажу. У цих дослідах, якими керував аспірант ім Тяньї Яо (тепер у Intel), вони також побачили щось несподіване; обертаючись, диски плавали крізь рідкий кристал.
Бажаючи зрозуміти це явище, команда Стебе скоротила складність системи до обертового круглого диска. Вони знову спостерігали за рухом через рідкий кристал. Підказкою до рушійного механізму була тонка лінія, видима в мікроскоп і вказувала на порушення в рідкому кристалі. Ця лінія виходила з сингулярності та проходила по поверхні диска (див. відео вище). Команда Стебе співпрацювала з Група Міхи Равника в Університеті Любляни для чисельного моделювання рідкого кристала навколо сингулярності. Моделювання, виконане постдок Жига Кос підтвердив структуру дефекту в рівновазі та припустив, що пружність рідкого кристала є ключовою для руху. Поєднавши експеримент і симуляцію, дослідники розробили теорію для опису плаваючих роботів.
Розтяжні дефекти дозволяють плавати
Коли диск обертається, дефект спочатку залишається прикріпленим до частинки, розтягуючи рідкий кристал у лінію навколо гострого краю, як еластична стрічка. Згодом енергія цього дефекту лінії стає настільки великою, що вона виривається й раптово проноситься по поверхні частинки, як хвиля глядачів, що рухається стадіоном.
Ця раптова зміна чинить силу на одну сторону диска, нахиляючи його на край. До того моменту, коли він нахиляється назад, рідкий кристал повертається до своєї нерозтягнутої конфігурації, і цей простий рух рухає частинку. Дослідники також продемонстрували, що плавцем можна маніпулювати по викривленій траєкторії, змінюючи частоту прикладеного магнітного поля.
Дослідники очікують, що подальше дослідження мікророботів займе їх (див. відео вище). Стебе каже: «Це захоплюючий час, тому що ми побачили щось чудове, ми змогли використати це в деяких передових функціональних матеріалах. Ми змогли пояснити багато важливих аспектів, і ми змогли відкрити, де нам потрібно зробити більше роботи як спільнота». Стебе має багато запитань щодо взаємодії між рідким кристалом і гострим краєм диска, і він сподівається, що розуміння фундаментальних аспектів плавця дасть їм більше можливостей для розробки функціональних мікророботів у майбутньому.
