Ученым удалось разработать метод преобразования обычного углеродного волокна, диаметром не больше человеческого волоса, в миниатюрный манипулятор. Он способен изгибаться и распрямляться по команде, исключая необходимость в проводном подключении. Группа исследователей из Польской академии наук представила простое и эффективное решение давней задачи создания точных и обратимо управляемых микроскопических устройств. Вместо усложнения структуры волокна посредством специальных покрытий или изменений, что часто необходимо при создании «умных» полимеров, ученые обратили внимание на взаимодействие электричества с поверхностью углеродного волокна в его исходном виде.
В ходе эксперимента микроволокно было установлено в герметичную биполярную ячейку, заполненную жидкостью, содержащей ионы лития и перхлората, а также специально подобранную редокс-пару. Важную роль сыграли особенности поверхности некоторых волокон, такие как микроскопические бороздки и поры. При приложении внешнего напряжения ионы начали проникать в поверхность волокна с разной скоростью. На одной стороне волокна доминировали окислительные реакции, на другой – восстановительные, что вызвало неравномерное натяжение материала. Поскольку концентрация ионов с одной стороны была выше, чем с другой, волокно стало изгибаться. После прекращения подачи напряжения или изменения его полярности ионы покидали поверхность, натяжение снималось, и волокно возвращалось в исходное положение. Этот процесс оказался полностью обратимым.
Ключевым аспектом эксперимента являлось то, что волокно функционировало без непосредственного подключения к источнику питания. Вместо этого, закрытая биполярная ячейка обеспечивала протекание необходимых реакций на обоих концах волокна. Специалисты показали, что регулирование продолжительности и величины электрических импульсов позволяет вызывать циклические движения волокна, напоминающие работу миниатюрного пинцета. Это создает возможности для применения необработанных асимметричных углеродных волокон в качестве простых и экономичных приводов для микророботов, элементов микроэлектромеханических устройств или инструментов для работы с микрообъектами. Несмотря на то, что исследование пока находится на уровне концептуальной демонстрации, ученые намерены продолжить совершенствование характеристик подобных волокон, рассчитывая, что их разработка внесет значительный вклад в развитие области мягкой робототехники и микромеханики.
Результаты исследования в журнале Nature Communications.