自调节无限可编程人造纤毛问世

多年来，科学家们一直在尝试为微型机器人系统设计微小的人造纤毛，以期该系统可执行复杂运动，包括弯曲、扭曲和反转。美国哈佛大学研究人员开发了一种单材料、单刺激的微结构，甚至可以超越活纤毛。这些可编程的微米级结构能用于包括柔性机器人、生物相容性医疗设备，甚至动态信息加密等一系列应用。该研究近日发表于《自然》杂志上。

构建比人类发丝还小的微结构，通常需要多步制造过程和不同的刺激来产生复杂的运动，这限制了它们的广泛应用。

哈佛大学工程与应用科学学院化学与化学生物学教授乔安娜·艾森伯格称，能够进行各种程序化运动的自适应、自调节材料，代表了一个重要创新，这一领域的进展会影响各种设计材料和设备运行方式，包括机器人、医学和信息技术。

与之前主要依靠复杂材料来实现可重构元件的可编程运动不同，艾森伯格团队设计了一种由单一材料（光响应液晶弹性体）制成的微结构柱。鉴于液晶弹性体基本结构的单元排列方式，当光线照射时，其会重新排列且形状发生改变。

随着这种变化会发生两件事。首先，光线照射的地方变得透明，允许光线进一步穿透到材料中，再导致额外的变形；其次，随着材料变形和形状移动，柱子上的一个新点暴露在光线下，导致该区域也改变了形状。这个反馈回路，推动微结构进入运动循环。

研究人员表示，“内部和外部反馈循环为我们提供了一种自我调节的材料。一旦你打开灯，它就会自行完成所有工作。当灯关闭时，材料会恢复到原来的形状”。

材料的特定扭曲和运动随其形状而变化，使这些简单的结构可“无休止地”重新配置和调整。研究人员使用模型和实验展示了圆形、方形、L形和T形以及棕榈树形结构的运动，并尝试了材料可调整的所有其他方式。

研究表明，通过调整一系列参数来编程，可以进行包括照明角度、光强度、分子排列、微观结构几何形状、温度以及照射间隔和持续时间的变化。

艾森伯格称，个体和集体运动的巨大设计空间，意味着柔性机器人、传感器和强大信息加密系统未来潜在的变革性。