Ученые из Института Макса Планка создали из фотоактивного материала микроскопических роботов, которые способны имитировать движение микроорганизмов под воздействием света. Работа опубликована в журнале Nature Materials.

Исследователи сделали микророботов нескольких типов: в виде цилиндров длиной в 1 миллиметр и 200–300 микрометров в диаметре, а также в виде дисков толщиной в 50 микрометров и 200–400 микрометров в диаметре. Тело роботов было способно расширяться и сужаться при освещении, образуя волны вдоль тела и, таким образом, проталкивая робота. Такие движения называются перистальтическими и характерны для дождевых червей.

Для создания роботов инженеры использовали фотоактивный жидкокристаллический эластомер — материал, который сочетает в себе свойства жидких кристаллов и упругих каучуков. Он способен быстро и обратимо менять форму под воздействием тепла и света. При поглощении монохроматического света, например, зеленого лазерного пучка с длиной волны 532 нанометра, структурные единицы жидкого кристалла — мезогены — нагреваются и выстраиваются таким образом, что происходит расширение тела в радиальном направлении.

Для создания световых полей с чередующимися светлыми и темными полосами ученые воспользовались оптической системой с цифровыми микрозеркальными устройствами. Пучок света проходил через объектив микроскопа и освещал рабочее пространство, в котором находились микророботы. При этом на тело микроробота проецировался ряд световых полос различной длины, что вызывало деформацию освещаемых участков тела. С помощью оптической системы исследователи регулировали скорость и направление перемещения полос. 

Результаты эксперимента показали, что микророботы, которые плавали в водном растворе глицерина, двигались в направлении, обратном направлению перемещения световых полос. При этом длина каждой световой полосы составляла 387 нанометров, а частота перемещения — 2 Герца. Тело микроробота смогло передвинуться на 110 микрометров со скоростью 2,1 микрометр в секунду.

На втором этапе эксперимента ученые изучили особенности движения микророботов в виде дисков. В них структуры жидкого кристалла были ориентированы таким образом, что при освещении диски увеличивались в диаметре и уменьшали свою толщину. Диски погружались в контейнер, наполненный силиконовым маслом, а световые узоры в виде полосы или в форме «вентилятора» ориентировались прямо на них. Также как и для цилиндрических роботов, перемещение полос приводило к движению робота в противоположную сторону. В случае вращения узора в форме «вентилятора» происходило вращение диска в обратную сторону со скоростью в 0,5 градусов в секунду.

Ранее группа ученых из Хемницкого технического университета спроектировали внешний двигатель, который предназначен для повышения подвижности сперматозоидов и эффективной их доставке к яйцеклетке. Кроме того, уже существуют роботы, которые имитируют движение таких подводных животных, как осьминоги, медузы и рыбы.

Автор: Александр Еникеев