Advanced Control Strategies of Light-Responsive Polymers for Soft Robotics

Abstract

Pehmeä robotiikka on nopeasti kehittyvä tutkimusala, mikä pyrkii tuottamaan uusia pehmeisiin materiaaleihin pohjautuvia ratkaisuja nykyisin käytössä oleville metallikuorisille roboteille, joiden liikettä ohjataan sähköllä elektronisten komponenttien avulla. Lupaavimmat materiaalit pehmeiden robottien valmistuksessa ovat ”älykkäät”, ulkoisiin ärsykkeisiin reagoivat polymeerit, joiden liikettä voidaan ohjata käyttämällä polttoaineena valoenergiaa. Nämä niin sanotut valoaktuaattorit pystyvät absorboimaan valoenergiaa ja muuttamaan sen avulla muotoaan. Tyypillisen valoaktuaattorin toiminta perustuu valokemialliseen ilmiöön, eli ne sisältävät valoon reagoivia molekyylikytkimiä, joiden muotoa ja muita ominaisuuksia voidaan muuttaa valon avulla. Toinen tapa perustuu valotermiseen ilmiöön, jossa esimerkiksi orgaaniset molekyylit absorboivat valoa, muuttavat sen lämpöenergiaksi ja edelleen mekaaniseksi liikkeeksi.

Tässä väitöskirjassa valoaktuaattorien ja pehmeiden robottien valmistuksessa käytetään kahta erilaista materiaalia: nestekidepolymeerejä ja hydrogeelejä. Nestekidepolymeerit mahdollistavat ennalta ohjelmoitavan muodonmuutoksen, jolloin saman materiaalin avulla pystytään tuottamaan erilaista liikettä. Hydrogeeleissä monimutkaiset muodonmuutokset voidaan ohjelmoida muuttamalla materiaalin ominaisuuksia paikallisesti polymeerin valmistuksen jälkeen. Molemmat materiaalit kykenevät reversiibeliin muodonmuutokseen valoenergian avulla ja ovat siksi erinomaisia materiaaleja pehmeässä robotiikassa. Hyödyntämällä sekä valotermistä että valokemiallista ilmiötä, tässä väitöskirjassa tutkitaan kolmea ohjausstrategiaa valoaktuaation aikaan saamiseksi: 1) itse ylläpidettyä liikettä kuten valomekaanista oskillaatiota, 2) moniväriaktuaatioita, jossa käytetään valon eri aallonpituuksia tuottamaan erilaista liikettä, ja 3) uudelleenohjausta, jossa aktuaattori voidaan valmistuksen jälkeen ohjelmoida liikkumaan eri tavoin. Tämän väitöskirjan tulokset syventävät ymmärrystä valotermisen ja valokemiallisen ilmiöiden roolista valoaktuaatiossa ja tarjoavat uusia ohjausstrategioita pehmeille roboteille.

Soft robotics is a rapidly developing research field that has triggered a significant amount of research effort during the past few years. The field aims at providing new technical innovations to overcome the challenges encountered in conventional hard-bodied robotic systems constructed using rigid joints and links, such as lack of flexibility and adaptability. Among the most promising materials for the fabrication of soft robots are smart stimuli-responsive polymers that can be triggered with external energy sources to undergo various chemical and physical changes such as mechanical motions like contraction or bending. Among different classes of stimuli-responsive polymers, photomechanical actuators are of particular interest as they provide a route to harness light energy to remotely fuel mechanical motions. Today, most photochemical actuators are based on reversible photochemical switching of photochromic molecules between two forms with distinct structural and photochemical properties. On the other hand, photoactuation can also be driven photothermally using light absorption by organic dyes or inorganic moieties for heat generation, which stimulates the shape changes of the polymer.

In this thesis we use liquid crystal networks and hydrogels as materials platforms to devise photoactuators and soft robots that can be controlled and powered remotely with light producing reversible shape changes. Liquid crystal networks enable pre-programmable shape changes and hence several actuation modes can be achieved within one material. In hydrogels, complex shape changes can be programmed by tuning materials properties locally after fabrication. By utilizing both photothermal and photochemical effects, we use three advanced light control strategies to power photomechanical actuation: self-sustained motion, multicolor functions, and reconfigurability. By using these strategies, we demonstrate sophisticated photoactuators exhibiting self-oscillation, non-reciprocal motions, logic gate actuation, reconfigurable gripping, and shape-morphing between Gaussian curvatures. The results of this thesis deepen the understanding on the role of photothermal and photochemical effects in controlling photomechanical actuation, and present new pathways and control strategies for soft micro-robotics.