Тёплой руки достаточно, чтобы привести в движение крошечных роботов, созданных по образцу сальмонеллы и использующих динамические связи на молекулярном уровне.

Группа исследователей из Китая и США объединила усилия для разработки мягких роботов с координационно-моторизованным осциллятором (CoMO), способным совершать самостоятельные микродвижения, используя небольшое количество энергии солнечного света или тепла тела. В основе этой инновации лежит новый супрамолекулярный эластичный полимер на основе полидиметилсилоксана (PDMS), динамически сшитый Eu3 + в центре.

Результаты исследования опубликованы в журнале Angewandte Chemie.

Вдохновлено бактериями

На молекулярном уровне живые существа преобразуют энергию, полученную из окружающей среды или усвоенную из потребляемой пищи, в движение. Искусственным системам, таким как мягкие роботы, для движения требуется значительное количество энергии, например, электростимуляция, мощные лазеры или мощные нагреватели. Даже конструкции, использующие разницу температур, обычно требуют температур, значительно превышающих те, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни.

Для создания беспроводных мягких роботов, способных самостоятельно существовать, нам нужны материалы, способные использовать окружающую энергию и преобразовывать её в движение.

Для создания такой системы исследователи черпали вдохновение в сальмонеллах, жгутики которых непрерывно движутся благодаря динамическому связыванию ионов. Они разработали CoMO, который использует схожую химическую стратегию — циклический процесс разрыва и образования связей — для обеспечения своего движения. Этот процесс преобразования молекулярного перехода в непрерывное, незначительное механическое движение известен как химико-механическая связь.

Уходя от тепла

Разработанные группой полоски CoMO состояли из двух слоёв: пассивного слоя из коммерческой целлюлозной бумаги и активного слоя из каучукоподобного материала Eu-Pdimi-PDMS, координированного Eu(III). Связи металл-лиганд в активном материале разработаны таким образом, чтобы быть высокодинамичными, слабыми и чувствительными к температуре, что позволяет им обратимо разрушаться при нагревании и восстанавливаться при охлаждении.

При нагревании активный слой расширяется в 2000 раз сильнее пассивного, отталкивая полоску CoMO от источника тепла. По мере продвижения наружу она начинает охлаждаться, и материал снова сжимается, поскольку ионы Eu стягивают полимерные цепи PDMS. Сжатие заставляет полоску изгибаться в сторону источника тепла, запуская процесс расширения.

Моторизованные роботы CoMbots (Coordination) совершают колебания, даже если разница температур между их наивысшим и наименьшим положениями составляет всего около 2 °C — градиент настолько мал, что обычные тепловые приводы даже не реагируют.

Прототипы CoMbot выполнили более 4000 циклов стабильных непрерывных колебаний в течение пяти часов на различных нагретых поверхностях при температурах от 30 °C до 100 °C. После первых двух часов наблюдалось лишь небольшое уменьшение длины расширения.

Группа также обнаружила, что этот принцип динамической химико-механической связи применим и к другим ионам металлов, таким как Al 3+ и Zr 4+ .

Благодаря сбору энергии низкого уровня этот материал может питать безбатарейные сенсоры и роботов для мониторинга окружающей среды в отдалённых природных условиях. Исследователи также полагают, что при некотором усовершенствовании материалы CoMO могут быть использованы для создания биомедицинских роботов, способных проникать в биологические системы, где традиционные источники энергии недоступны.

Ведёт расследования о коррупции в любых эшелонах власти