Их крошечный размер чрезвычайно затрудняет жизнь плавающим микроорганизмам. Поскольку их движение практически не имеет инерции, трение между водой и внешней кожей значительно замедляет их — очень похоже на попытку плавать через густой мед. Вязкость среды также предотвращает образование завихрений, которые могут передавать силу воде и тем самым приводить в движение пловца.
По этой причине волокна бьются в скоординированном волнообразном движении, которое проходит по всему телу одноклеточного организма, подобно ногам многоножки. Эти волны перемещают жидкость вместе с собой, так что инфузория размером примерно 100 микрометров, то есть десятую долю миллиметра толщиной с человеческий волос, движется через жидкость.«Наша цель состояла в том, чтобы имитировать этот тип движения с помощью микроробота», — говорит Стефано Паладжи, первый автор исследования в Институте интеллектуальных систем Макса Планка в Штутгарте, в котором также участвовали ученые из университетов Кембриджа, Штутгарта и Флоренции.
Фишер, который также является профессором физической химии в Штутгартском университете, заявляет, что было бы практически невозможно построить механическую машину в масштабе длины инфузории, которая также повторяла бы ее движение, поскольку для этого потребовались бы сотни отдельных приводы, не говоря уже об их управлении и энергоснабжении.Жидкокристаллические эластомеры ведут себя как палочки Микадо.
Поэтому исследователи обычно обходят эти проблемы, воздействуя непосредственно на микроплавец внешними силами: например, магнитным полем, которое используется для вращения крошечного магнитного винта. «Это дает лишь ограниченную свободу передвижения», — говорит Фишер. Однако исследователи из Штутгарта хотели сконструировать универсальный пловец, который мог бы свободно перемещаться в жидкости на независимой основе, без применения внешних сил и без заранее определенного темпа.Им удалось добиться этого удивительно простым методом, используя так называемые жидкокристаллические эластомеры в качестве плавательных тел. Они меняют форму под воздействием света или тепла.
Как и жидкий кристалл, они состоят из стержневидных молекул, которые изначально имеют параллельное расположение, подобно связке палочек Микадо перед тем, как их бросит игрок. Молекулы соединены друг с другом, что придает жидкому кристаллу определенную степень твердости, как резина. При нагревании палки теряют выравнивание, и это приводит к изменению формы материала, подобно тому, как палочки Mikado занимают больше места на земле, когда их бросают.
Тепло было произведено учеными в Штутгарте в их экспериментах, подвергнув материал зеленому свету. Свет также вызывает изменение формы самих молекул. Эти молекулы имеют химическую связь, которая действует как сустав.
Излучение заставляет стержнеобразную молекулу в месте соединения изгибаться в форме буквы U. Это усугубляет молекулярный беспорядок, в результате чего материал расширяется еще больше. Материал очень быстро реагирует на включение и выключение света. Когда свет погас, материал сразу же возвращается к своей первоначальной форме.
Выступы следуют за светом вдоль тела плавания.Исследователи создали два типа микророботов: один в форме удлиненного цилиндра, длиной примерно один миллиметр и толщиной около двухсот микрометров, а другой — в виде крошечного диска толщиной около 50 микрометров и диаметром в двести микрометров. четыреста микрометров.В первом эксперименте команда Фишера спроецировала полосатый узор света на цилиндрического робота с помощью микроскопа.
Они наблюдали образование выступов на освещенных участках. Затем они позволили световому узору распространиться по цилиндру, что побудило выступы также двигаться вниз по телу, как волны. «Движение создается роботами изнутри», — подчеркивает Фишер. Свет просто передает энергию пловцу, не прилагая никаких усилий. Червь движется аналогичным образом: он создает волны в своем теле, при этом кольцеобразные выступы и продольные удлинения проходят от одного конца тела червя к другому.
Специалисты называют это перистальтикой.Перистальтическое движение, вызванное световым узором, переносит жидкость по корпусу микроплавца, заставляя ее двигаться в противоположном направлении. Таким образом, микроробот достиг скорости около 2,1 микрометра в секунду и преодолел расстояние 110 микрометров.Неизвестный диапазон движений для микропловцов
Пер Фишер и его коллеги также продемонстрировали, что они могут управлять роботами с большой степенью гибкости. Это потому, что, в принципе, на пловцов можно спроецировать любой световой узор.
Исследователи создают узор с помощью устройства микрозеркала, массива почти из 800 000 крошечных зеркал, которые можно перемещать по отдельности. Таким образом, они проецировали световые узоры на дискового робота и меняли направление так, чтобы микроплавец двигался по прямоугольной траектории.Затем они заставили диск вращаться, проецируя на его поверхность световой узор, напоминающий веер.
Им даже удалось управлять двумя дисковыми роботами независимо друг от друга: один вращался по часовой стрелке, другой — против часовой стрелки. «Это означает, что внутри одного и того же микроробота возможен широкий диапазон движений, что ранее было неслыханно в этой области», — подчеркивает Стефано Паладжи.«Другой важный вопрос заключался в том, можно ли сделать наших пловцов еще меньше», — добавляет соавтор Эндрю Марк. Теоретические расчеты показали, что это должно быть возможно: небольшие микропловцы также могут перемещаться самостоятельно, используя волнообразные движения.
Это мотивация, лежащая в основе работы исследователей из Штутгарта: «Наша конечная цель — как можно точнее имитировать работу самой природы», — говорит Фишер.