Onderzoekers in Finland ‘trainen’ kunststof zodat het op commando – van licht – gaat ‘lopen’. De ontwikkelde methode – op 4 december gepubliceerd in het tijdschrift Matter – is de eerste die een synthetische actuator ‘leert’ om nieuwe ‘trucjes’ uit te voeren op basis van eerdere ‘ervaringen’. En dat zonder computerprogramma. Het onderzoek is primair ondersteund door de Europese Onderzoeksraad en de Finse Academie van Onderzoek.

De kunststof ‘soft actuators’, gemaakt van thermo-responsieve vloeibaar-kristal polymeernetwerken en een laag kleurstof, zetten energie om in een mechanische beweging. In eerste instantie reageert de actuator alleen op warmte. Maar door licht te associëren met warmte, leert de actuator ook te reageren op licht. Het resultaat is dat de actuator buigt zoals een vinger. Door de actuator regelmatig te belichten, kan hij ‘lopen’ als een rups. Maar dan wel met een slakkengangetje van 1 mm/s.

'Ons onderzoek stelt in wezen de vraag of een levenloos materiaal op de een of andere simplistische manier iets kan leren', aldus zegt hoofdauteur senior auteur Arri Priimägi (@APriimagi) van de Universiteit van Tampere. 'Mijn collega, professor Olli Ikkala van de Aalto Universiteit, stelde de vraag: Kunnen materialen leren, en wat betekent het als materialen zouden kunnen leren? Vervolgens hebben we onze krachten gebundeld in dit onderzoek om robots te maken die op de een of andere manier nieuwe trucs zouden kunnen leren'. Het onderzoeksteam bestaat ook uit postdoc-onderzoekers Hao Zeng (Tampere) en Hang Zhang, (Aalto).

Het conditioneringsproces, dat licht en warmte met elkaar in verband brengt, zorgt ervoor dat de kleurstof op het oppervlak zich door de actuator heen verspreidt, waardoor deze blauw wordt. Het fenomeen verhoogt de totale lichtabsorptie, wat het fotothermische effect versterkt en de temperatuur van de actuator verhoogt. Vervolgens "leert" hij zich te buigen bij bestraling.

Pavlov

'Deze studie die we deden, was geïnspireerd op het hondenexperiment van Pavlov', zegt Priimägi. In het experiment kwijlt een hond als reactie op het zien van voedsel. Pavlov luidde vervolgens een bel voordat hij de hond te eten gaf. Nadat verschillende keren te hebben herhaald, associeerde de hond de bel met voedsel. Met als resultaat dat het geluid van de bel genoeg was om de hond te laten kwijlen.

'Als je naar onze methode kijkt, komt de warmte overeen met het voedsel, en het licht komt dan overeen met de bel uit Pavlov’s experiment. Velen zullen zeggen dat die analogie te ver gaat. In zekere zin hebben de mensen die dat zeggen gelijk. In vergelijking met biologische systemen is het materiaal dat we hebben bestudeerd tenslotte zeer eenvoudig en beperkt. Maar onder de juiste omstandigheden geldt de analogie wel.'

De volgende stap voor het team is het verhogen van de complexiteit en beheersbaarheid van de systemen, om de grenzen van de analogieën te vinden die aan biologische systemen kunnen worden ontleend. 'We streven ernaar vragen te stellen die ons misschien in staat stellen om vanuit een nieuw licht naar levenloze materialen te kijken.'

Biomedische toepassingen

Maar behalve ‘lopen’ kunnen de systemen ook verschillende golflengtes van het licht ‘herkennen’. Op die de verschillende golflengtes van het licht kunnen ze dan overeenkomstig de coating van de kleurstof reageren. Met die eigenschap maak je van het materiaal een ‘programmeerbare’ soft-microrobot die je op afstand kan besturen – ideaal voor biomedische toepassingen.

'Ik denk dat er veel coole aspecten zijn. Deze op afstand bediende vloeibare-kristal netwerken gedragen zich als kleine kunstmatige spieren', zegt Priimägi. 'Ik hoop en geloof dat er veel manieren zijn waarop in de toekomst het biomedische vakgebied, en andere gebieden zoals de fotonica, daarvan kan profiteren.'