Milimetrowy silnik obrotowy napędzany światłem

Badacze z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego wraz ze współpracownikami z Polski i Chin, zademonstrowali mikrosilnik zasilany wprost wiązką światła. Polimerowy pierścień o średnicy 5 milimetrów, napędzany i sterowany przy pomocy wiązki lasera, potrafi obracać się i wykonywać pracę, np. obracając inny element osadzony na tej samej osi.

Ruch obrotowy w przyrodzie jest bardzo rzadko spotykany, podczas gdy nasza cywilizacja jest nim napędzana. Potrafimy budować rozmaite silniki obrotowe, które składają się zwykle z wielu elementów, co utrudnia ich miniaturyzację. Istnieje jednak grupa materiałów umożliwiających konstrukcję małych, ruchomych urządzeń – ciekłokrystaliczne elastomery (ang. liquid crystal elastomer, LCE). Badania nad tymi materiałami skupiają się głównie na projektowaniu kształtu i sposobu odkształcenia elementów z LCE (np. skracanie, zginanie). Dlatego tak ważne było spojrzenie na LCE z innej strony, co doprowadziło do skonstruowania obrotowego mikrosilnika.

Ciekłokrystaliczne elastomery to inteligentne materiały, które mogą szybko, w odwracalny sposób zmieniać kształt, na przykład po oświetleniu. Dzięki odpowiedniemu uporządkowaniu (orientacji) cząsteczek elastomeru można programować deformację elementu. Umożliwia to zdalne zasilanie i sterowanie mechanizmów wykonawczych i robotów przy pomocy światła.

Wykorzystując technologię światłoczułych elastomerów badacze z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego we współpracy z badaczami z Wydziału Matematyki Uniwersytetu w Suzhou w Chinach, Instytutu Fizyki Technicznej Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie oraz Centrum Materiałów Polimerowych i Węglowych Polskiej Akademii Nauk w Zabrzu zbudowali mikrosilnik, który obraca się dzięki wędrującej deformacji miękkiego materiału, wywołanej wiązką lasera. Oświetlana część silnika (rotor) ma kształt pierścienia o średnicy 5 milimetrów. Projektując odpowiednią orientację cząsteczek elastomeru można zapewnić stabilną pracę tego mikrosilnika albo zwiększyć jego prędkość obrotową.

Mimo niewielkiej prędkości obrotowej, około jednego obrotu na minutę, nasz silnik pozwala spojrzeć z innej strony na mikromechanikę inteligentnych miękkich materiałów oraz ich potencjalne zastosowania – mówi dr inż. Klaudia Dradrach z Pracowni Nanostruktur Fotonicznych. Pomysł inspirowany jest silnikiem piezoelektrycznym, często spotykanym w obiektywach fotograficznych. Wsparcie naukowców z Polskiej Akademii Nauk z Zabrza i Wojskowej Akademii Technicznej było kluczowe – dzięki niemu opracowaliśmy powtarzalną metodę wytwarzania odkształcalnych miniaturowych elementów z LCE. W naszych badaniach brali udział młodzi naukowcy, m.in. Mikołaj Rogóż i Przemysław Grabowski, doktoranci z Wydziału Fizyki UW.

Badacze, którzy wcześniej zademonstrowali napędzanego światłem robota-ślimaka poruszającego się tak jak jego krewni występujący w przyrodzie wierzą, że nowe inteligentne materiały w połączeniu z nowatorskimi metodami wytwarzania miniaturowych elementów, pozwolą im konstruować kolejne miniaturowe elementy i napędy. Obecnie pracują nad mikronarzędziami sterowanymi światłem i dalekozasięgowymi siłownikami liniowymi.

Badania nad miękkimi mikrorobotami i polimerowymi mechanizmami wykonawczymi są finansowane są przez Narodowe Centrum Nauki w ramach projektu "Mechanizmy wykonawcze w mikro-skali na bazie foto-responsywnych polimerów", Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego w ramach "Diamentowego Grantu" przyznanego M. Rogóżowi, Ministerstwo Obrony Narodowej i program badawczy uniwersytetu w Suzhou.

Wyniki badań ukazały się w piśmie ACS Applied Materials & Interfaces.

silnik obrotowy rotor zasilanie wiązka światła Klaudia Dradrach Mikołaj Rogóż Przemysław Grabowski