De minuscules robots nageurs peuvent restructurer les matériaux à un niveau microscopique

Le contrôle des processus microscopiques est intrinsèquement difficile. Les outils quotidiens que nous utilisons pour manipuler la matière à l’échelle macro ne peuvent pas simplement être réduits à la taille d’une cellule, et même s’ils le pouvaient, les forces physiques sur lesquelles ils s’appuient fonctionnent différemment lorsque leurs cibles sont mesurées en nanomètres.

Mais bien que ce ne soit pas une tâche facile, atteindre ce type de contrôle rapporterait d’énormes dividendes : qu’il s’agisse de transporter des médicaments vers des tumeurs pour des thérapies précises ou de fabriquer des matériaux fonctionnels à partir de blocs de construction en suspension dans un liquide connus sous le nom de colloïdes, les ingénieurs de Penn travaillent pour rendre ces processus plus rapides, plus sûrs et plus fiables.

Une approche pour contrôler ces processus consiste à utiliser des microrobots.

Nous considérons généralement les robots comme des machines informatisées comme celles des chaînes de montage ou des entrepôts, programmées pour déplacer des marchandises et construire des structures complexes comme les automobiles et les téléphones portables. Cependant, programmer une machine plus petite qu’une micropuce présente un autre type de défi. Trop petits pour l’informatisation, les robots à cette échelle doivent être conçus d’une manière complètement différente – et respecter des ensembles de lois physiques et chimiques complètement différents – de leurs homologues plus grands.

Trop petits pour leurs propres ordinateurs de bord, les microrobots se déplacent grâce à une force magnétique externe. Et pour manipuler des cargaisons tout aussi petites, ils doivent tirer parti des différentes lois physiques et chimiques qui régissent la micro-échelle.

À ces tailles, chaque objet est fortement influencé par les molécules qui l’entourent. Qu’ils soient entourés de gaz, comme l’atmosphère ambiante, ou immergés dans un liquide, les microrobots doivent être conçus pour exploiter cette influence grâce à un concept appelé « intelligence physique ».

En comprenant le système, les milieux environnants et les particules qu’il contient, les microrobots physiquement intelligents peuvent effectuer diverses tâches.

Kathleen Stebe, Richer & Elizabeth Goodwin Professor in Chemical and Biomolecular Engineering and Mechanical Engineering and Applied Mechanics, Tianyi Yao, ancien Ph.D. étudiante dans son laboratoire, Qi Xing Zhang, actuellement titulaire d’un doctorat. étudiant et collaborateurs du groupe du professeur Miha Ravnik à l’Université de Ljubljana mènent des recherches fondamentales qui jetteront les bases de la compréhension de ces interactions à petite échelle dans un fluide colloïdal de cristaux liquides nématiques (CLN), le fluide qui compose chaque pixel dans un écran à cristaux liquides (LCD).

“Les cristaux liquides nématiques existent sous la forme d’une phase spéciale, un fluide structuré qui n’est ni liquide ni solide”, explique Stebe. “Les NLC sont constitués de molécules allongées qui s’auto-alignent dans une configuration qui nécessite le moins d’énergie. Pensez à secouer une casserole de riz ; les grains s’alignent tous. Lorsque vous perturbez l’alignement nématique en introduisant des microrobots ou une cargaison colloïdale, vous obtenez vraiment dynamique intéressante que vous ne voyez pas dans l’eau, par exemple. C’est la physique des NLC qui nous permet d’étudier ces interactions uniques.

Dans une étude publiée dans Matériaux fonctionnels avancésl’équipe de recherche décrit un microrobot à quatre bras contrôlé magnétiquement qui peut nager, transporter des marchandises et restructurer activement les particules dans ce fluide complexe.

“Nous avons commencé avec une forme complexe, qui produisait des comportements complexes”, explique Stebe. “Ici, le microrobot est contrôlé par un champ magnétique externe et utilise son intelligence physique pour ramasser une microparticule en tant que cargaison, puis il la bat tout en nageant vers la surface texturée. Les rainures dans le matériau de surface sont de la taille parfaite pour attirer et retenir la particule. En fait, c’est cette conception de surface qui a inspiré la conception du microrobot à quatre bras. Nous avons tiré parti de la forme physique, de la chimie de surface et de la dynamique particulière du colloïde dans les NLC pour le contrôler.

“Mais, plus on observait ces fonctions sophistiquées, plus on ne comprenait pas”, ajoute-t-elle. “Nous avons dû revenir aux fondamentaux pour réellement expliquer ce qui se passait ici.”

Comment ce robot était-il capable de nager ? Comment était-il capable de retenir et de déplacer des particules ? Dans une autre étude, publiée dans Avancées scientifiquesl’équipe a répondu à ces questions avec un microrobot de forme plus simple.

“La forme du disque nous a permis de mieux comprendre la capacité de nage du microbot”, explique Stebe. “Ici, nous pouvons voir que lorsqu’un côté du disque s’incline vers le haut, un défaut topologique se crée en dessous. L’interaction entre le défaut topologique et le disque lui-même crée un gradient d’énergie qui permet l’auto-propulsion du disque. “

La raison du défaut topologique qui permet la fonction de nage du robot est due à l’organisation complexe des NLC, qui diffère considérablement des liquides désorganisés comme l’eau.

“En utilisant la physique des cristaux liquides nématiques”, déclare Yao, l’auteur principal des deux études, “nous pouvons construire des systèmes microrobotiques physiquement intelligents. Nous pouvons établir des interactions à longue portée, ajuster les forces de liaison et reconfigurer l’espace. Bien que nous ayons prouvé ces interactions à l’échelle microscopique, la physique dominante est également efficace à de très petites échelles, de l’ordre de 30 à 50 nanomètres.”

Être capable de manipuler des processus à ce niveau est révolutionnaire, et comprendre comment les systèmes robotiques sont capables d’effectuer des tâches de manière indirecte, en tenant compte de la dynamique des fluides et des interactions physiques des médias dans le cadre de la conception du microrobot, est essentiel.

Stebe et son équipe sont désormais en mesure d’imaginer des applications réelles pour cette technologie dans l’industrie des dispositifs optiques ainsi que dans de nombreux autres domaines. Des matériaux intelligents, conscients de leur environnement, peuvent être conçus en utilisant la température et la lumière comme contrôles pour des tâches microrobotiques.

“Avec des collègues dévoués et des étudiants diplômés, nous avons travaillé dur sur cette technologie et nous sommes ravis de voir des années de travail se concrétiser”, dit-elle. “Nous sommes maintenant à la pointe des applications réelles et prêts à explorer.”