Onderzoekers van de TU Eindhoven ontwikkelden een kleine plastic robot gemaakt van responsieve materialen, die beweegt onder invloed van licht en magnetisme. In de toekomst zou deze ‘draadloze aquatische poliep’ vervuilende deeltjes uit het omringende water kunnen halen, of cellen kunnen oppikken en transporteren voor analyse in diagnostische systemen. De onderzoekers publiceerden hun resultaten in het vakblad PNAS.
De minirobot is geïnspireerd op een koraalpoliep; een klein zacht dier met tentakels waaruit koralen in de oceaan bestaan. Promovendus Marina Pilz Da Cunha: “Ik was geïnspireerd door de beweging van deze koraalpoliepen, vooral door hun zelf gegenereerde waterstroming, waarmee ze echt een interactie aangaan met hun omgeving.” De stam van de levende poliep maakt een specifieke beweging waardoor deze een waterstroming opwekt die voedseldeeltjes aantrekt. Vervolgens grijpen de tentakels de voorbij drijvende voedseldeeltjes.
De kunstmatige poliep trekt in deze video de ronddrijvende oliedruppel aan, en grijpt deze vervolgens vast. De stam draait rond zijn as, onder invloed van magnetisme. De poliep creëert daarmee een stroming in het water. Deze stroming trekt de oliedruppels naar de tentakels toe. De tentakels sluiten vervolgens rondom de oliedruppel, onder invloed van UV-licht. Blauw licht kan de tentakels weer openen, om de druppel weer vrij te laten. Video: Marina Pilz Da Cunha
De ontwikkelde draadloos aangestuurde kunstmatige poliep is 1 bij 1 cm, heeft een stam die op magnetisme reageert én licht gestuurde tentakels. “Het combineren van deze twee stimuli is nog niet vaak gedaan omdat het delicate maak- en assemblageprocessen vergt. Maar voor het maken van robots is het heel interessant, omdat het complexe bewegingen en taken mogelijk maakt”, legt Pilz Da Cunha uit. De tentakels bewegen door ze te beschijnen met licht. Verschillende golflengten geven een ander resultaat. Zo ‘grijpen’ de tentakels onder invloed van UV-licht, terwijl ze ‘loslaten’ met blauw licht.
Van land naar water
Het nu gepresenteerde apparaat kan objecten onderwater vastgrijpen en weer loslaten. Dat is een nieuwe feature van de eerder dit jaar gepresenteerde licht aangedreven mini-pakketbezorger. Deze land-robot bleek niet onder water te werken, omdat de polymeren waaruit de robot is opgebouwd werken op fotothermische signalen. De warmte die door het licht wordt gegenereerd, in plaats van het licht zelf, voedde de robot. Pilz Da Cunha: “En warmte wordt snel afgevoerd in het water, dus het sturen van de robot was niet mogelijk onder water.” Ze ontwikkelde daarom een fotomechanisch materiaal, een materiaal dat alleen onder invloed van licht beweegt. Zonder warmte.
En dat is niet het enige voordeel van het nieuwe materiaal. Naast werken onder water, kan het ook zijn vorm vasthouden na licht-activatie. Terwijl het fotothermische materiaal na het verwijderen van de stimulus direct weer naar zijn oorspronkelijke vorm terugkeert, nemen de moleculen in het fotomechanische materiaal een nieuwe toestand in. Hierdoor zijn verschillende stabiele vormen mogelijk. “Dat helpt bij het controleren van de grijparm; eenmaal iets gevangen blijft de robot zijn buit vasthouden tot je het weer opnieuw beschijnt”, aldus Pilz Da Cunha.
Stroming trekt deeltjes aan
Door een roterende magneet onder de robot te plaatsen, cirkelt de stam als het ware om zijn as (zie video). Pilz Da Cunha: “Het was daardoor mogelijk om de drijvende objecten in het water, in ons geval oliedruppels, daadwerkelijk naar de poliep toe te bewegen.”
De stand van de tentakels (open, dicht of iets daartussenin), bleek invloed te hebben op de stroming. “Computersimulaties, met verschillende tentakel-standen, hebben ons uiteindelijk geholpen om de beweging van de stam te begrijpen en daardoor precies goed te krijgen. En om zo de oliedruppels naar de tentakels te ‘lokken’”, licht Pilz Da Cunha toe.
Onafhankelijk van de watersamenstelling
Het mooie is dat de robot onafhankelijk van de samenstelling van de omringende vloeistof opereert. Dat is uniek, want de meeste gebruikte stimuli-responsieve materialen in onderwatertoepassingen, de hydrogelen, zijn juist gevoelig voor hun omgeving. Hydrogelen gedragen zich daarom anders in vervuild water. Pilz Da Cunha: “Onze robot werkt juist precies hetzelfde in zout water, of in water met vervuilingen. Sterker nog, de poliep kan in de toekomst wellicht vervuilingen uit het water filteren, door deze met zijn tentakels te vangen.”
Link magazine juni/juli 2020, Lees Link magazine digitaal of vraag een exemplaar op: uitgever@linkmagazine.nl
Volgende stap: zwemmende robot
Promovendus Pilz Da Cunha is nu bezig met de vervolgstap: een array van poliepen die samen kunnen werken. Daarmee hoopt ze transport van deeltjes te kunnen verwezenlijken, waarbij de ene poliep een ‘pakketje’ doorgeeft aan de andere. Een zwemmende robot staat ook nog op haar verlanglijst. Toepassingen hiervoor zijn bijvoorbeeld biomedische zaken als medicijntransport of het afvangen van specifieke cellen.
Daarvoor moeten de onderzoekers nog wel werken aan de golflengten waarop het materiaal reageert. “UV-licht tast cellen aan, en de penetratiediepte in het menselijk lichaam is beperkt. Bovendien kan het UV-licht wellicht de robot beschadigen, waardoor die minder lang mee zal gaan. Daarom gaan we werken aan een robot die geen UV-licht nodig heeft als stimulus”, concludeert Pilz Da Cunha.
Dit onderzoek verscheen op 13 juli, in het tijdschrift PNAS. Uitgevoerd binnen de faculteit Chemical Engineering and Chemistry en het Institute for Complex Molecular Systems van de Technische Universiteit Eindhoven. Titel: An Artificial Aquatic Polyp that Wirelessly Attracts, Grasps and Releases Objects.
