Najmniejsze mikronarzędzia, wyhodowane na światłowodach średnicy włosa, potrafią chwytać przedmioty wykorzystując jedynie energię świetlną

„Optyczne kombinerki” obok mrówki Formica polyctena dla porównania skali (obraz ze skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) z dodanymi kolorami). Dwie szczęki narzędzia (czerwone) zamykają się, absorbując światło przesyłane przez włókna optyczne (jasnoniebieskie) o średnicy 125 mikronów, porównywalnej do średnicy ludzkiego włosa. (Źródło: Wydział Fizyki UW)

Naukowcy z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego wykorzystali technologię ciekłokrystalicznych elastomerów do zademonstrowania serii mikronarzędzi wytwarzanych na włóknach optycznych. 200-mikrometrowy chwytak jest sterowany zdalnie, bez okablowania elektrycznego lub przewodów pneumatycznych, jedynie zielonym światłem dostarczanym przez światłowody - pochłonięta energia świetlna jest bezpośrednio zamieniana na pracę szczęk chwytaka.

Chwytanie przedmiotów jest podstawową umiejętnością dla żywych organizmów, od mikroskopijnych wrotków, przez niesamowitą zręczność ludzkiej ręki, po szczęki drapieżnych wielorybów i miękkie macki olbrzymich kałamarnic. Jest także niezbędne dla wielu stale miniaturyzowanych technologii. Chwytaki mechaniczne, napędzane siłownikami elektrycznymi, pneumatycznymi, hydraulicznymi lub piezoelektrycznymi, stosowane są w skalach milimetrów i większych, ale ich złożoność i potrzeba przenoszenia siły na odległość uniemożliwiają miniaturyzację.

Naukowcy z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego wraz z kolegami z Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie zastosowali mikrostruktury z ciekłokrystalicznych elastomerów, które mogą zmieniać kształt w odpowiedzi na światło, aby zbudować mikronarzędzie napędzane światłem - optyczne kombinerki (optical pliers). Urządzenie zostało skonstruowane poprzez wyhodowanie dwóch zginających się szczęk na końcówkach włókien optycznych o średnicy mniej więcej ludzkiego włosa.

Ciekłokrystaliczne elastomery (Liquid Crystal Elastomers, LCE) to inteligentne materiały, które mogą odwracalnie zmieniać kształt pod wpływem światła widzialnego. W swoim prototypie naukowcy połączyli napędzane światłem elementy z LCE z nową metodą wytwarzania struktur w skali mikrometrów: gdy światło ultrafioletowe jest przesyłane przez światłowód, na jego końcówce rośnie struktura w kształcie stożka. Indukowana światłem mechaniczna reakcja tak powstałej mikrostruktury zależy od orientacji cząsteczek wewnątrz elementu elastomerowego i może być kontrolowana w celu uzyskania zgięcia lub skurczu mikroelementów. Nowa technika wzrostu struktur z elastomerów oferuje możliwość wytwarzania różnych zdalnie sterowanych elementów w skali mikrometrowej.

Badania nad elastomerowymi mikrostrukturami zasilanymi światłem są finansowane przez Narodowe Centrum Nauki w ramach projektu "Mechanizmy wykonawcze w mikroskali na bazie foto-responsywnych polimerów".