Het zijn feitelijk niet meer dan een paar schakels die aan elkaar gekoppeld zijn tot een ketting, maar dan 3D-geprint en slechts een paar duizendsten van een millimeter lang. Op de beelden die hoogleraar experimentele natuurkunde Daniela Kraft en postdoc Mengshi Wei maakten beweegt dat kettinkje als een klein wormpje dat zijn weg zoekt door zijn omgeving.

Als je de robotjes ziet rondzwemmen lijkt het wel alsof ze een eigen wil hebben. Laat je er twee in de buurt van elkaar zwemmen, dan merken ze elkaars aanwezigheid op en ontwijken elkaar. Als er obstakels opduiken, weten de kettinkjes die makkelijk te ontwijken en zwemmen ze sierlijk in bochtjes om de hindernissen heen zonder ergens tegenaan te botsen. Ook banen ze zich een weg door een dichte brij aan rommel.

Niet voor niets hebben Wei en Kraft het in hun publicatie in PNAS vaak in actieve termen over hun uitvinding. Het kleine kettinkje ‘ontdekt, en het ‘voelt’ en ‘ontwijkt’ obstakels. Toch is het geen denkend wezen.

‘Ze hebben inderdaad geen eigen wil’, zegt Kraft. ‘We gebruiken in de natuurkunde de term “ontdekt” om aan te geven dat wij ze niet aansturen maar dat ze ongeleid door hun omgeving kunnen bewegen. Wat we doen is dat we een elektrisch veld produceren, en door temperatuurschommelingen in de omgeving stuurt de kop van de ketting links of rechts.’

Zwiepende staart

De robotjes kunnen op twee manieren obstakels ontwijken. Als er een grote blokkade is waar ze tegenaan botsen begint de staart te zwiepen, waardoor de oriëntatie van de robot verandert en de kop na een tijdje vanzelf weer weg van het obstakel wijst.

De andere methode ziet er zeer sierlijk uit. ‘We gebruiken een elektrisch veld om de boel aan te drijven, maar daardoor worden de ketting en de obstakels ook gepolariseerd en stoten ze elkaar af als ze in de buurt komen. Op de beelden zie je ook dat de ketting altijd een afstandje houdt tot de kleinere obstakels.’

Het laten voortbewegen van kleine voorwerpen met een elektrisch veld is niet geheel nieuw, maar werd in eerdere experimenten vooral gedaan met kleine objecten die met metaal waren gecoat. 

De ontdekking van de niet-metalen ketting kwam eigenlijk per toeval, zegt Wei. ‘We wilden een flexibele structuur maken die we konden laten bewegen. We hadden een soort ketting gemaakt waarvan we dachten dat die zelf niks zou doen, maar ik wilde kijken hoe die zou reageren als je het in een omgeving met bewegende deeltjes zou stoppen. Tot mijn verbazing zag ik dat die ketting zelf al was begonnen met zwiepen door het elektrische veld.’

Om tot het huidige ontwerp te komen testten de natuurkundigen veel verschillende ontwerpen. Om de ketting te fabriceren tekent een laserpuntje op een microscopische druppel lichtgevoelig materiaal de vorm van schakels. Het materiaal hardt uit waar het geraakt wordt door de laser, en zo kun je een precieze 3D-structuur maken. 

‘Het moeilijke hieraan is dat je dit doet in een vloeistof, en dingen hebben de neiging om weg te drijven terwijl je met de laser aan de gang bent’, zegt Kraft. ‘Daarom moet je altijd zorgen dat een van de uiteindes geankerd is aan de ondergrond.’

De energie die de ketting doet bewegen komt uit een elektrisch veld dat de onderzoekers aanbrengen. Wei: ‘We kunnen in de toekomst het gedrag van de robots veranderen door bijvoorbeeld de sterke of frequentie daarvan te veranderen. Met de huidige testomstandigheden wordt de ketting afgestoten van obstakels. Maar als we de frequentie zouden veranderen kan het zijn dat de schakels in de ketting zich anders gaan gedragen, worden aangetrokken tot obstakels of van vorm veranderen.’

Kraft: ‘We zijn nu nog echt in het stadium van fundamenteel onderzoek en toepassingen zijn nog ver weg. Maar je kunt je al wel voorstellen dat als je een robotje hebt dat zelfstandig zijn weg kan vinden naar een bepaalde plek en daar een monster kan nemen of iets als een medicijn af kan leveren veel potentie heeft. Het mooie is natuurlijk dat ze dat helemaal autonoom kunnen doen en zich aanpassen aan hun omgeving.’