Wil je robots in de chirurgie te gebruiken, dan moet je ze klein maken. Tot een schaal van een paar millimeter zijn traditionele mechanische en elektronische componenten een prima keuze, maar ga je nog een stap kleiner, dan worden de harde componenten een probleem. ‘Een alternatief uit de biomedische hoek vind je in zachte materialen’, zegt Michael Lerch, universitair docent Autonome Zachte Materialen aan de Rijksuniversiteit Groningen. ‘Denk aan een materiaal als contactlenzen: die zijn biocompatibel, beschadigen het weefsel niet en zijn gemakkelijk te vervaardigen. Maar een groot nadeel is dat het programmeren van hun bewegingen verdraaide lastig is.’

Traditioneel kunnen zachte materialen alleen in alle richtingen tegelijk samentrekken en uitzetten, vergelijkbaar met een spons. Bepaalde soorten materialen – vloeibaar-kristallijne elastomeren (LCE’s) – kunnen in een bepaalde richting bewegen, maar dat blijft simpel. ‘Uiteindelijk willen we complexere bewegingen uitvoeren, zoals een drinkbeweging’, zegt Lerch. ‘Onze belangrijkste vraag was: hoe kunnen we zulke bewegingen opbouwen uit eenvoudige bouwstenen, en dan het liefst binnen hetzelfde materiaal?’ 

Verbaasd

Lerch en zijn groep vonden veel potentieel in LCE’s, polymeren van vloeibare kristallen die je in LCD-schermen terugvindt. ‘Als je ze bijvoorbeeld met warmte stimuleert, kunnen ze overschakelen van een geordende naar een ongeordende toestand, wat je een faseovergang noemt’, legt Lerch uit. ‘Leuk weetje: de eerste Nederlandse vrouwelijke doctor in de scheikunde, Ada Prins, werkte aan het begin van de twintigste eeuw in Amsterdam al aan vloeibare kristallen.’

Vloeibare kristallen hebben veel verschillende fases, wat betekent dat de moleculen op veel verschillende manieren kunnen worden gestapeld. ‘Afhankelijk van de moleculaire structuur en de omstandigheden kun je tussen deze fases heen en weer springen’, zegt Lerch. ‘Het mooie van LCE’s is dat deze polymeren ook door verschillende fases kunnen gaan, maar op een manier die we niet helemaal hadden verwacht.’ Samen met onderzoekers van Harvard ontdekten ze een manier om het materiaal bij sommige faseovergangen verschillende bewegingen te laten uitvoeren. ‘Bij toeval ontdekten we dat sommige overgangen twee bewegingen in tegengestelde richtingen geven, wat hoogst ongebruikelijk is.’

‘We waren echt verbaasd toen we deze twee tegengestelde vervormingen ontdekten, want het was in eerste instantie niet waar we naar op zoek waren’, vervolgt Lerch. Dit was des te meer het geval omdat de algemene consensus is dat vervorming maar in één richting plaatsvindt. ‘Het was een grote verrassing en echt verbazingwekkend om te zien.’

Zigzag

Deze twee bewegingen zijn te zien in de overgang tussen het chevron Smectic C en Smectic A en worden beschreven als opeenvolgende krimp of uitzetting en rechtshandige of linkshandige verdraaiing en kanteling in tegengestelde richting. Lerch: ‘Smectic C heeft een zigzagpatroon, terwijl Smectic A vlak is. Als je de materialen belast, krijg je een vouwpatroon dat lijkt op gevouwen geologische lagen.’ De reden voor dit vouwen was ook een verrassing. ‘Als de moleculen gaan polymeriseren, zal stress door polymerisatie een richtingseffect hebben op het materiaal, omdat het geheel al geordend is.’

De volgende grote stap zou zijn om te kijken of je dit materiaal kunt gebruiken in een biologische omgeving. ‘Maar eerst moeten we de temperatuur voor bewegingen verlagen, en we willen de vervormingen ook kunnen triggeren met licht en andere prikkels’, zegt Lerch.

Gat

Als we naar het grote geheel kijken, kun je deze materialen zien als een soort middenweg, filosofeert Lerch. ‘Op de sub-nanoschaal van moleculen zou je met moleculaire machines kunnen werken. Op de schaal van centimeters en millimeters is de standaardelektronica nog steeds een mogelijkheid, maar daartussen ligt een moeilijk gat waarvoor je nieuwe manieren moet vinden om dingen te laten bewegen en te besturen. Daarom is onze groep betrokken bij projecten met chirurgen en robotici van het UMCG [Universitair Medisch Centrum Groningen, red.], omdat we geloven dat als we dit onderzoek verder doorzetten, we chirurgische ingrepen minder invasief kunnen maken.’

Yao, Y. et al. (2024) Science 386(6726), DOI: 10.1126/science.adq6434