Mobiele moleculaire robots zwemmen in water

Het creëren van moleculaire microrobots die de capaciteiten van levende organismen nabootsen is een droom van nanotechnologie, zoals geïllustreerd door de beroemde natuurkundige Richard Feynman. Er zijn een aantal uitdagingen om dit doel te bereiken. Een van de belangrijkste hiervan is het creëren van gerichte zelfvoortstuwing in water.

Een team van drie wetenschappers van de Hokkaido University, onder leiding van assistent-professor Yoshiyuki Kageyama, is erin geslaagd een microkristal te creëren dat gebruikmaakt van zelf-continue heen en weer gaande beweging voor voortstuwing. Hun bevindingen werden gepubliceerd in het tijdschrift Klein.

De droom van microrobots is een oude droom, die al tientallen jaren in sciencefiction aan bod komt en populair is geworden door de opkomst van nanotechnologie. Een aspect van deze robots is zelfaandrijving, het vermogen om zichzelf duurzaam te verplaatsen. Om dit te bereiken zijn er twee grote uitdagingen: de eerste is het maken van een moleculaire robot die wederzijds kan vervormen, en de tweede is het omzetten van deze vervorming in de voortstuwing van de moleculaire robot.

De groep van Kageyama bouwde voort op hun eerdere onderzoek dat de eerste uitdaging had opgelost: het creëren van moleculaire robots die wederzijds kunnen vervormen. Kleine objecten kunnen hun wederzijdse beweging echter niet omzetten in progressieve beweging, in het algemeen, zoals uitgelegd door de scallop-stelling van Edward Purcell. In de huidige studie gingen de wetenschappers naar de volgende stap en slaagden erin om zelfaandrijving van de moleculaire robot te realiseren in een experimenteel systeem waar beweging beperkt was tot twee dimensies; in dit systeem werkt viskeuze weerstand anisotroop, waardoor het verwaarloosbaar zwak wordt.

Mobiele moleculaire robots zwemmen in water

De microrobot werd aangedreven door blauw licht, dat een reeks reacties veroorzaakte die leidden tot het wegdraaien van de vin en de voortstuwing. Vanwege de aard van de reacties was de beweging niet continu, maar met tussenpozen; bovendien vertoonden de moleculaire robots een van de drie verschillende voortstuwingsstijlen: een “slag” -stijl, met de vin vooraan; een “kick” -stijl, met de vin erachter; of een “zijwaartse” stijl, met de vin opzij. De aard van de mobiliteit werd beïnvloed door het gebied van de vin en de elevatiehoek; individuele kristallen dreven zichzelf in verschillende richtingen en stijlen voort.

De wetenschappers creëerden vervolgens een computationeel minimummodel om de variabelen te begrijpen die de voortstuwing in een tweedimensionale tank beïnvloedden. Ze waren in staat om te bepalen dat vinlengte, vinverhouding en elevatiehoek de belangrijkste variabelen waren die de richting en het tempo van de voortstuwing beïnvloedden.

“Het resultaat, dat aantoonde dat kleine flappers kunnen zwemmen, geholpen door de anisotropie veroorzaakt door kleine ruimtes, zou onderzoek naar moleculaire robots kunnen stimuleren”, zegt Kageyama. “Een soortgelijk mechanisme kan zich voordoen in de beweging van kleine waterorganismen in specifieke omstandigheden, zoals in eieren.”