[论文解读] 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 11

一句话总结

本文提出通过空间结构化的活性调控，实现对由肌动蛋白丝和光敏感肌球蛋白马达组成的活性向列型液晶中输运行为的控制。通过光调制诱导局部应力，作者展示了对拓扑缺陷的精确生成与轨迹控制，实现了无需外部力的可编程、自驱动微流体输运。

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.

研究动机与目标

• 为解决在合成活性材料中控制集体动力学与输运行为的挑战。
• 开发一种对活性向列系统中拓扑缺陷进行可编程操控的策略。
• 通过时空活性调控实现自驱动、可重构的微流体系统。
• 证明局部应力诱导可引导缺陷沿预设路径运动。
• 利用光响应材料，弥合活性物质物理与实际微流体应用之间的鸿沟。

提出的方法

• 利用光敏感肌球蛋白马达在肌动蛋白丝基活性向列型液晶中局部调节活性。
• 通过模拟与实验在原本被动的材料中诱导空间结构化的应力。
• 应用光图案通过局部应力场生成并控制拓扑缺陷。
• 利用高分辨率成像与追踪算法监测缺陷的成核与运动。
• 设计光图案，通过应力工程引导缺陷轨迹沿期望路径运动。
• 通过模拟与实验缺陷动力学的定量对比验证该方法。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过空间可控的活性调控在活性向列型液晶中按需生成拓扑缺陷？
• RQ2 利用结构化应力场，缺陷运动在多大程度上可被引导沿预设轨迹？
• RQ3 局部应力诱导如何影响活性材料中缺陷的成核与稳定性？
• RQ4 光诱导的应力图案能否在合成活性系统中实现可重构、自驱动输运？
• RQ5 空间活性图案与活性向列型系统中缺陷动力学之间存在何种关系？

主要发现

• 通过光图案激活，成功在活性向列型液晶中按需生成了拓扑缺陷。
• 通过工程化空间结构化的应力，缺陷可被约束沿用户定义的轨迹运动。
• 该方法实现了无需外部力或整体流动的精确、实时缺陷运动控制。
• 模拟与实验在缺陷动力学与轨迹保真度方面表现出强定量一致性。
• 该方法在多种缺陷类型与路径几何形状下均表现出鲁棒性。
• 该系统仅通过光调制即实现了微流体环境中自驱动、可重构的输运。