Een kleine robot kan over enige tijd helpen water te reinigen. Voor het apparaat stond een zeedier model: de koraalpoliep, waarvan de tentakels de koralen in de oceaan vormen. De mechanische “draadloze waterpoliep” kan in de toekomst vervuilende deeltjes uit het water halen, of cellen oppikken en transporteren voor analyse in diagnostische systemen.
“Ik werd geïnspireerd door de beweging van deze koraalpoliepen. Vooral hun vermogen om met de omgeving om te gaan door middel van zelf gegenereerde stromingen”, zegt Marina Pilz Da Cunha, promovenda aan de TU Eindhoven. De werking van de kunstpoliep is vergelijkbaar met die van het levende model. De stam van de levende poliepen maakt een bepaalde beweging die een stroom creëert die voedseldeeltjes aantrekt. De tentakels grijpen dan de voedseldeeltjes als ze voorbij zwemmen.
De draadloos aangestuurde kunstmatige poliep is 1 bij 1 cm, heeft een stam die op magnetisme reageert én door middel van licht aangestuurde 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
Deze robot is een nieuwe uitvoering 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: “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.
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, die langere tijd blijven bestaan. “Dat helpt bij het controleren van de grijparm; eenmaal iets gevangen kan de robot zijn buit vast blijven houden tot je het weer opnieuw beschijnt om het voorwerp weer los te laten”, 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 laten 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 meest 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.”
Volgende stap: zwemmende robot
Promovendus Pilz Da Cunha is nu bezig met de vervolgstap: een reeks 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.
Het 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. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2004748117
Als je dit artikel leuk vindt, lees dan ook:
