Universiteit Leiden

nl en

Zelfopbouwende microstructuren krijgen gewrichten

Leidse natuurkundigen laten kleine deeltjes uit zichzelf structuren bouwen, om uiteindelijk automatisch bottom-up robotjes te produceren. Ze zetten nu een belangrijke stap door beweegbare componenten te realiseren. Die kunnen dienen als gewrichten. Publicatie in Nanoscale.

Wetenschappers over de hele wereld zijn druk bezig met de ontwikkeling van minuscule robotjes, bijvoorbeeld om medicijnen af te leveren in ons lichaam of operaties uit te voeren als een miniatuurchirurg. Zulke microrobots kun je proberen te bouwen door steeds een kleinere versie te maken, maar het is misschien logischer om andersom te werken: bottom-up in plaats van top-down. Leids natuurkundige Daniela Kraft kiest voor die laatste optie en gebruikt bolletjes van een miljoenste meter klein—zogenoemde colloïden—als onderdeeltjes. Bijkomend voordeel van deze schaal is dat colloïden continu bewegen in willekeurige richting, zodat ze vanzelf samenklonteren en zo automatisch structuren vormen.

Gewrichten

Het is al een hele uitdaging om de omstandigheden te creëren waarin de gewenste basisstructuren ontstaan, zoals kubusjes, driehoekjes of haltertjes. Maar om uiteindelijk echt een werkende robot te krijgen, heb je ook bewegende componenten nodig, en dus gewrichten. Kraft en haar onderzoeksgroep zijn er nu als eersten in geslaagd om hier op de micrometerschaal drie soorten van te maken: scharnier-, kogel- en schuifgewrichten. Ze publiceren hun bevindingen in Nanoscale.

DNA

Om hun gewrichten de benodigde beweeglijkheid te geven, verbinden de onderzoekers de colloïden via DNA-strengen. Die hechten zich niet aan een vaste plek op de colloïde, maar zijn vrij om over het oppervlak te bewegen. Kraft zorgt voor een relatief lage dichtheid van ongeveer duizend DNA-strengen per vierkante micrometer aan het colloïdeoppervlak. Dat is precies voldoende om gewrichtsfuncties in te bouwen zonder dat ze vastlopen.

Bewegingsmogelijkheden

De fysici kunnen hun gewrichtjes een specifieke bewegingsmogelijkheid en dus functie geven dankzij het feit dat colloïden het sterkste aan elkaar hechten bij een maximaal contactoppervlak. Een bolletje op een kubus kan daarom alleen schuiven over één zijde, omdat het contactoppervlak vermindert als hij de hoek om gaat; een schuifgewricht. (figuur 1b). En bolletjes in het midden van een haltervorm kunnen slechts om het centrum draaien, omdat het maximaal contact voelt als het beide bollen van de halter raakt (figuur 1c). Daarmee krijgt de structuur een scharnierfunctie. Bolvormige colloïden vormen tenslotte een kogelgewricht omdat daaraan gebonden deeltjes vrijheid hebben over 360 graden (figuur 1a). Deze drie nieuwe bewegingsmogelijkheden promoveren starre colloïdestructuren tot mobiele vormen die aan de basis staan van toekomstige zelfopbouwende microrobots.

Publicatie

Indrani Chakraborty, Vera Meester, Casper van der Wel, Daniela J Kraft, ‘Colloidal Joints with Designed Motion Range and Tunable Joint Flexibility’, Nanoscale

Figuur 1: Drie verschillende soorten microgewrichten. a) kogelgewricht, met bewegingsvrijheid over 360 graden voor de paarse bollen (movie). b) schuifgewricht, waarbij de paarse bol alleen over één zijde kan schuiven. (movie). c) scharniergewricht, waarbij de paarse bollen alleen in het midden kunnen ronddraaien. (movie).

 

Kogelgewricht, zoals in figuur 1a

Schuifgewricht, zoals in figuur 1b

Scharniergewricht, zoals in figuur 1c