Группа исследователей Университета Васэда (Япония) продемонстрировали возможность различного типа движения микрокристаллов размером в несколько микрометров. В зависимости от геометрической формы кристалла, такие тонкие структуры способны вращаться, изгибаться, скручиваться или совершать скачкообразные перемещения. Полученные данные позволяют предположить, что подобные кристаллы могут послужить основой для создания двигательных систем микроскопических роботов, предназначенных для выполнения специализированных задач. В рамках данного исследования японские ученые изучали ассиметричные кристаллы на основе хирального азобензола; было установлено, что кратковременное воздействие температурного режима в диапазоне от 120 до 160 градусов Цельсия вызывает значительную деформацию их структуры.
Циклические изменения температуры вызывают обратимые изменения их формы, которые достаточно просто преобразуются в механическое движение. В зависимости от начальной формы кристаллов эти кристаллы могут совершать различные виды движений. К примеру, кристаллы, имеющие один характерный изгиб, могут извиваться, словно змеи, а кристаллы с другой формой изгиба могут даже подпрыгивать, накапливая энергию, словно пружина.
Некоторые кристаллы под воздействием температурных изменений могут катиться с достаточно большой скоростью, которая составляет 16 миллиметров в секунду, что в 20 тысяч раз скорости перемещения “шагающих” кристаллов, которые способны “разгоняться” только до 3 миллиметров в час.
Помимо формы самого шагающего кристалла способ его передвижения может быть задан изменениями его толщины. А кристаллы, которые совершают вращательные движения, имеют неоднородную ширину. Но во всех случаях основой совершаемых кристаллами движений является фазовый переход при достижении критической точки, а асимметрия структуры самого кристалла только усиливает этот эффект.
И в заключение следует отметить, что кристаллы, реагирующие на изменения окружающей среды, могут стать не только основой нового направления робототехники – кристаллической робототехники. На базе таких кристаллов могут быть созданы различные датчики, микромеханические переключатели и большое множество других полезных вещей.
Для любознательных
Мир робототехники стремительно меняется. Сегодня учёные создают не только привычных нам механических роботов, но и принципиально новые системы — например, «кристаллических роботов». Разберёмся, что это такое, кто их создаёт и где они могут пригодиться.
Что такое кристаллическая робототехника?
Термин пока не устоялся, и под ним понимают два разных направления:
- Роботы на основе кристаллов — материалы, которые могут двигаться или менять форму за счёт свойств самого кристалла. Это разновидность мягкой робототехники.
- Роботы для работы с кристаллами — автоматизированные системы, помогающие учёным выращивать и анализировать кристаллы (например, белковые).
Рассмотрим каждое направление подробнее.
Направление 1: кристаллы, которые умеют двигаться
Пионером здесь стала группа под руководством Хидэко Косимы из Университета Васэда (Япония). В 2018 году в журнале Nature Communications они представили так называемые «роботизированные кристаллы».
Как это работает?
Учёные создали кристаллы на основе хирального азобензола. При нагревании и охлаждении эти кристаллы претерпевают фазовые переходы: расширяются и сжимаются. Если придать кристаллу асимметричную форму, он начинает двигаться:
- медленно ползти, как гусеница;
- катиться (скорость катания в 20 000 раз выше скорости ползания).
Ключевые особенности:
- движение запускается внешними стимулами (нагрев, охлаждение, свет);
- не требуется моторов или электроники — вся «механика» заложена в структуре кристалла;
- размер объектов — микро- и наномасштаб.
Перспективы применения:
- доставка лекарств внутри организма;
- малоинвазивная хирургия;
- микроманипуляторы для работы с биоматериалами;
- датчики и актуаторы нового поколения.
Сейчас команда Косимы работает над тем, чтобы:
- снизить температуру фазового перехода;
- точнее управлять направлением и скоростью движения;
- создать более сложные формы кристаллов для разнообразных движений.
Направление 2: роботы для выращивания и анализа кристаллов
В структурной биологии и материаловедении кристаллы выращивают для изучения их структуры (например, белков — для разработки лекарств). Раньше это делали вручную, теперь — с помощью автоматизированных систем.
Что делают такие роботы?
- дозируют микрообъёмы растворов;
- создают условия для кристаллизации;
- отбирают лучшие кристаллы;
- готовят образцы для рентгеновской дифракции.
Кто создаёт такие системы?
Ведущие компании и их решения:
| Компания | Страна | Ключевые продукты и особенности |
|---|---|---|
| Tecan Group Ltd. | Швейцария | Автоматизированные платформы для высокопроизводительного скрининга |
| Formulatrix Inc. | Тайвань | Роботизированные станции для кристаллизации белков |
| SPT Labtech Ltd. | Великобритания | Платформа Mosquito для нанодозирования |
| Rigaku Corporation | Япония | Интегрированные системы: от скрининга кристаллов до сбора данных с помощью дифракции рентгеновских лучей |
| Art Robbins Instruments | США | Платформы Gryphon и Phoenix для академических и фармацевтических лабораторий |
| Bruker Corporation | США/Германия | Решения для автоматизации в структурной биологии на базе дифрактометрии |
Преимущества автоматизации:
- высокая точность дозирования (нанолитры);
- воспроизводимость результатов;
- ускорение исследований (тысячи условий за день);
- снижение влияния человеческого фактора.
Перспективы и вызовы
Ближайшие перспективы:
- интеграция «движущихся кристаллов» с микроэлектроникой;
- создание гибридных систем (кристаллы + полимеры + металлы);
- расширение применения в медицине и экологии;
- развитие ИИ для управления роботизированными системами кристаллизации.
Основные вызовы:
- управление движением кристаллов в сложных средах (например, в организме);
- масштабирование технологий от лаборатории к производству;
- стандартизация методов выращивания и анализа кристаллов;
- снижение стоимости оборудования для автоматизации.
Заключение
Кристаллическая робототехника — это мост между материаловедением, биологией и инженерией. С одной стороны, мы учимся «оживлять» кристаллы, заставляя их двигаться и выполнять задачи. С другой — создаём умных помощников, которые автоматизируют работу с кристаллами в лабораториях.
Оба направления уже дают практические результаты: от новых методов доставки лекарств до ускорения разработки препаратов. В ближайшие годы мы, вероятно, увидим ещё более удивительные разработки — возможно, даже роботов, целиком построенных из «умных» кристаллических материалов.
