Light-driven components and systems made of smart polymer materials

Ciekłokrystaliczne elastomery (LCE, ang. liquid crystal elastomers) stanowią grupę inteligentnych materiałów, które pod wpływem zewnętrznych bodźców mogą w sposób odwracalny zmieniać kształt, kolor, współczynnik załamania światła oraz inne właściwości fizyczne. Cechy materiału są ściśle związane z uporządkowaniem jego cząsteczek. Kierunki badań nad LCE obejmują zarówno syntezę nowych związków umożliwiających otrzymywanie materiałów reagujących na odmienny zakres bodźców lub o określonych parametrach (np. opto-mechanicznych), jak i opracowywanie metod nadawania im zadanego kształtu i uporządkowania oraz integrację LCE jako siłowniki lub elementy optyczne w rozmaitych układach (np. robotach). Niniejsza rozprawa dotyczy zasilanych i sterowanych światłem układów opartych na termoresposywnych LCE domieszkowanych barwnikami. Praca prezentuje nowe metody wytwarzania i porządkowania materiałów oraz milimetrowych rozmiarów urządzenia, które wykorzystują LCE jako elementy wykonawcze ogrzewane poprzez absorpcję wiązki laserowej. Zaprezentowany cykl obejmuje pięć artykułów poświęconych tej tematyce. Opisana w pierwszej publikacji stacja do automatycznego wytwarzania folii z LCE o zadanym uporządkowaniu (RoboLEC) umożliwia produkcję domieszkowanych barwnikami materiałów, co umożliwia ich wykorzystanie m.in. w sterowanych światłem układach. Użytkownik wprowadza szkiełka pokryte warstwą fotoporządkującą, wgrywa obrazy definiujące kierunek orientacji oraz podaje klej utwardzany promieniowaniem UV z mikrokulkami o określonej średnicy, determinującymi grubość próbki. Proces przebiega w pełni automatycznie, a liczba próbek jest ograniczona zapasem ww. materiałów. Drugi artykuł przedstawia przegląd wyników w dziedzinie LCE uzyskanych w zespole badawczym, w którym prowadziłem prace. Oprócz wcześniej opublikowanych rezultatów zaprezentowano niepublikowaną wcześniej konstrukcję robota odwzorowującego ruch nartników, poruszającego się na powierzchni wody. Napęd kończyn zapewnia „mięsień” z LCE. Deformację mięśnia wywołują impulsy lasera o częstotliwości kilku Hz. Mimo że robot jest około 6000 razy wolniejszy od swoich naturalnych odpowiedników, zgodnie z moją wiedzą publikacja ta stanowi pierwsze doniesienie o robocie imitującym nartnika naturalnej wielkości. Trzeci artykuł opisuje robota naśladującego ruch ślimaków, również w naturalnej skali. Urządzenie porusza się po powierzchniach pokrytych syntetycznym „śluzem” (np. gliceryną), co umożliwia ruch pod różnymi kątami względem pola grawitacyjnego, w tym pod górę i “do góry nogami”. Ruch wywołuje fala deformacji przesuwająca się wzdłuż ciała robota, wytwarzana poprzez skanowanie wiązki lasera. Czwarty i piąty artykuł prezentują odpowiednio miniaturowy silnik obrotowy i liniowy. Obie konstrukcje wykorzystują wiązkę lasera skanującą elementy wykonane z LCE, co pozwala na zmianę kierunku pracy każdego z silników. Silnik obrotowy wykorzystuje pierścień z LCE o uporządkowaniu tworzącym defekt topologiczny o ładunku +1, natomiast siłowniki zamontowane w silniku liniowym mają uporządkowanie, w którym domeny periodycznie zmieniają się wzdłuż materiału, uzyskane zaprezentowaną w piątej publikacji nowatorską metodą nadpisywania rubbingu.

Liquid crystal elastomers (LCEs) are a group of smart materials that can reversibly change their shape, color, refractive index, and other physical properties under external stimuli. The properties of these materials are closely tied to their molecular alignment. Research on LCEs includes the synthesis of new compounds that enable materials to respond to different ranges of stimuli or exhibit specific parameters (e.g., optomechanical), the development of methods to control geometry and alignment, and the integration of LCEs into systems, such as e.g. actuators or optical components. This dissertation describes light-driven systems based on thermoresponsive, dye-doped LCEs. It presents new methods for fabricating and aligning the elastomer-based components, as well as millimeter-scale devices that use LCEs as actuators heated through absorption of light. The work consists of a cycle of five articles dedicated to this topic. The automated station for producing LCE films with predefined alignment (RoboLEC), described in the first publication, enables the fabrication of dye-doped materials suitable for use in light-driven systems. The user loads glass slides coated with a photoalignment layer, uploads images that define the alignment direction, and supplies a UV-curable adhesive with microspheres of a specified diameter to set the sample thickness. The process runs fully automatically, and the number of samples is limited by the supply of these materials. The second article presents an overview of LCE results obtained within the research group in which I conducted my research. In addition to previously published outcomes, it introduces a previously unreported robot that mimics water-strider locomotion and moves on the water surface. Its leg motion is driven by an LCE “muscle”. Muscle deformation is induced by laser pulses at a frequency of a few hertz. Although the robot is about 6,000 times slower than its natural counterparts, to the best of my knowledge it is the first report of a water-strider robot at natural scale. The third article describes a robot that imitates snail locomotion at natural scale. The device travels over surfaces coated with synthetic “mucus” (e.g., glycerine), enabling motion at various orientations relative to gravity, including vertical and upside-down. Locomotion is driven by a deformation wave propagating along the robot’s body, generated by laser scanning of the LCE. The fourth and fifth articles present a rotary and linear motor, respectively. In both designs, motion is driven by scanning a laser beam over LCE elements, which allows the operating direction of each motor to be controlled. The rotary motor employs an LCE ring whose alignment forms a +1 topological defect, whereas the actuators in the linear motor feature a periodically varying, stripe-domain alignment along their length, produced using the novel rubbing-overwrite method described in the fifth publication.