16/09/2024
Door Ad Spijkers
Onderzoekers van Cornell University hebben microscopische robots van minder dan 1 mm groot gemaakt.
De microrobot kan worden geprint als een 2D hexagonale 'metasheet', maar met een elektrische schok veranderen in voorgeprogrammeerde 3D-vormen en kruipen. De veelzijdigheid van de robot is te danken aan een nieuw ontwerp op basis van kirigami, een neef van origami, waarbij plakjes in het materiaal de robot in staat stellen om te vouwen, uit te breiden en te bewegen.
Het project werd uitgevoerd in een lab van Cornell Univerity in Ithaca (350 km noordwest van New York City) dat eerder microrobotsystemen heeft geproduceerd die hun ledematen kunnen aansturen, water kunnen pompen via kunstmatige trilhaartjes en autonoom kunnen lopen.
Opbouw
In zekere zin werden de oorsprongen van de kirigami-robot geïnspireerd door levende organismen die van vorm kunnen veranderen. Als mensen een robot maken, kan deze na te zijn vervaardigd wat ledematen bewegen, maar de algehele vorm is meestal statisch. Daarom hebben de onderzoekers een metasheet-robot gemaakt. De 'meta' staat voor metamateriaal, wat betekent dat ze zijn samengesteld uit een heleboel bouwstenen die samenwerken om het materiaal zijn mechanische gedragingen te geven."
De robot is een zeshoekige tegel die bestaat uit ongeveer honderd siliciumdioxide panelen. Deze zijn verbonden via meer dan 200 actuerende scharnieren, elk ongeveer 10 nm dun. Wanneer ze elektrochemisch worden geactiveerd via externe draden, vormen de scharnieren berg- en dalplooien en zorgen ze ervoor dat de panelen worden gespreid en geroteerd. Hierdoor kan de robot zijn dekkingsgebied veranderen en lokaal tot 40% kan uitzetten en krimpen.
Afhankelijk van welke scharnieren worden geactiveerd, kan de robot verschillende vormen aannemen en zichzelf mogelijk om andere objecten wikkelen. Vervolgens kan hij zich weer ontvouwen tot een plat vel.
Vervolg
De onderzoekers denken al na over de volgende fase van metasheettechnologie. Ze verwachten hun flexibele mechanische structuren te combineren met elektronische controllers. Ze denken ultra-responsieve 'elastronische' materialen te creëren met eigenschappen die in de natuur nooit mogelijk zouden zijn. Toepassingen kunnen variëren van herconfigureerbare micromachines tot geminiaturiseerde biomedische apparaten en materialen. Deze kunnen op impact reageren met bijna de snelheid van het licht, in plaats van de snelheid van het geluid.
Omdat de elektronica op elk afzonderlijk bouwblok energie uit licht kan halen, is een materiaal te ontwerpen dat op geprogrammeerde manieren reageert op verschillende stimuli. Wanneer ze worden aangespoord, kunnen dergelijke materialen, in plaats van te vervormen, 'wegrennen' of met grotere kracht terugduwen dan ze hebben ervaren. De onderzoekers denken dat deze actieve metamaterialen de basis kunnen vormen voor een nieuw type intelligente materie. Deze wordt dan bestuurd door fysieke principes die verder gaan dan wat mogelijk is in de natuurlijke wereld.
De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.
Foto: Cornell University