[論文レビュー] Structuring Stress for Active Materials Control

Rui Zhang, Steven A. Redford+9 more|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2019

Micro and Nano Robotics参考文献 33被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、アクチンフィラメントと光感受性ミオシンモーターからなるアクティブネマチック液体結晶における輸送を制御するため、空間的に構造化された活性を導入する。光調制による局所的応力誘導によって、トポロジカルな欠陥を正確に生成・軌道制御可能であり、外部力なしにプログラマブルで自己駆動型のマイクロ流体輸送を実現する。

ABSTRACT

Active materials are capable of converting free energy into mechanical work to produce autonomous motion, and exhibit striking collective dynamics that biology relies on for essential functions. Controlling those dynamics and transport in synthetic systems has been particularly challenging. Here, we introduce the concept of spatially structured activity as a means to control and manipulate transport in active nematic liquid crystals consisting of actin filaments and light-sensitive myosin motors. Simulations and experiments are used to demonstrate that topological defects can be generated at will, and then constrained to move along specified trajectories, by inducing local stresses in an otherwise passive material. These results provide a foundation for design of autonomous and reconfigurable microfluidic systems where transport is controlled by modulating activity with light.

研究の動機と目的

• 合成アクティブ材料における集団的ダイナミクスおよび輸送の制御という課題を克服すること。
• アクティブネマチック系におけるトポロジカル欠陥のプログラマブルな操作戦略を開発すること。
• 活性の時空間的制御を通じて、自己駆動的かつ再構成可能なマイクロ流体システムを実現すること。
• 局所的応力誘導が、事前に定義された経路に沿った欠陥の運動を指向可能であることを実証すること。
• 光応答性材料を用いて、アクティブマター物理学と実用的マイクロ流体工学の橋渡しをすること。

提案手法

• アクチンフィラメントを基盤とするアクティブネマチック液体結晶において、光感受性ミオシンモーターを用いて局所的活性を調整すること。
• シミュレーションと実験を併用し、もともと非能動的な材料に空間的に構造化された応力を導入すること。
• 光パターンを適用して、局所的応力場を介してトポロジカル欠陥を生成・制御すること。
• 高分解能イメージングとトラッキングアルゴリズムを用いて、欠陥の核生成と運動をモニタリングすること。
• 応力工学を用いて、所望の経路に沿って欠陥の軌道を誘導するための光パターンを設計すること。
• シミュレーションと実験の欠陥ダイナミクスの定量的比較を通じて、手法の妥当性を検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 空間的制御された活性を用いて、アクティブネマチック液体結晶においてトポロジカル欠陥をオンデマンドで生成できるか？
• RQ2 構造化された応力場を用いることで、欠陥の運動をどの程度事前に定義された経路に沿って制御できるか？
• RQ3 局所的応力誘導が、アクティブ材料における欠陥の核生成および安定性にどのように影響するか？
• RQ4 光誘導応力パターンによって、再構成可能で自己駆動型の輸送が合成アクティブ系で実現可能か？
• RQ5 アクティブネマチックにおける空間的活性パターンと欠陥ダイナミクスの関係は何か？

主な発見

• 光パターンによる活性化を用いて、アクティブネマチック液体結晶においてトポロジカル欠陥をオンデマンドで成功裏に生成した。
• 空間的に構造化された応力の工学的設計により、欠陥がユーザー定義の経路に沿って制約された運動を実現した。
• 外部力やバルクフローなしに、欠陥運動を正確かつリアルタイムで制御可能であった。
• シミュレーションと実験の両方で、欠陥ダイナミクスと軌道忠実度に強い定量的整合性が確認された。
• 本手法は、複数の欠陥タイプおよび複数の経路形状に対して、強健性を示した。
• 光調制のみを用いて、マイクロ流体環境で自己駆動的かつ再構成可能な輸送を実現した。