Små vibrationsdrevne robotter på størrelse med verdens mindste myre

Forskere har skabt en ny type lille 3-D-printet robot, der bevæger sig ved at udnytte vibrationer fra piezoelektriske aktuatorer, ultralydskilder eller endda bittesmå højttalere. Sværme af disse "mikro-børste-bots" kan arbejde sammen for at fornemme miljøændringer, flytte materialer - eller måske en dag reparere skader inde i menneskekroppen.

Prototyperobotterne reagerer på forskellige vibrationsfrekvenser afhængigt af deres konfigurationer, giver forskere mulighed for at kontrollere individuelle bots ved at justere vibrationen. Cirka to millimeter lange - på størrelse med verdens mindste myre - kan bots dække fire gange deres egen længde på et sekund på trods af de fysiske begrænsninger af deres lille størrelse.

"Vi arbejder på at gøre teknologien robust, og vi har en masse potentielle applikationer i tankerne, " sagde Azadeh Ansari, en assisterende professor ved School of Electrical and Computer Engineering ved Georgia Institute of Technology. "Vi arbejder i krydsfeltet mellem mekanik, elektronik, biologi og fysik. Det er et meget rigt område, og der er masser af plads til tværfaglige koncepter."

Et papir, der beskriver mikro-børste-botterne, er blevet accepteret til offentliggørelse i Journal of Micromechanics and Microengineering . Forskningen blev støttet af et frøbevilling fra Georgia Tech's Institute for Electronics and Nanotechnology. Ud over Ansari, forskerholdet omfatter George W. Woodruff School of Mechanical Engineering lektor Jun Ueda og kandidatstuderende DeaGyu Kim og Zhijian (Chris) Hao.

Mikrobørste-botterne består af en piezoelektrisk aktuator limet på et polymerlegeme, der er 3-D-printet ved hjælp af to-foton polymerisationslitografi (TPP). Aktuatoren genererer vibrationer og forsynes eksternt, fordi ingen batterier er små nok til at passe på botten. Vibrationerne kan også komme fra en piezoelektrisk ryster under overfladen, som robotterne bevæger sig på, fra en ultralyds-/ekkolodskilde, eller endda fra en lille akustisk højttaler.

Vibrationerne bevæger de fjedrende ben op og ned, driver mikrobotten fremad. Hver robot kan designes til at reagere på forskellige vibrationsfrekvenser afhængigt af benstørrelsen, diameter, design og overordnet geometri. Amplituden af ​​vibrationerne styrer hastigheden, hvormed mikrobotterne bevæger sig.

"Når mikrobørste-botterne bevæger sig op og ned, den lodrette bevægelse oversættes til en retningsbestemt bevægelse ved at optimere design af benene, som ligner børster, " forklarede Ansari. "Benene på mikrorobotten er designet med specifikke vinkler, der giver dem mulighed for at bøje og bevæge sig i én retning i resonansrespons på vibrationen."

Mikro-børste-botterne er lavet i en 3-D-printer ved hjælp af TPP-processen, en teknik, der polymeriserer et monomerharpiksmateriale. Når den del af harpiksblokken, der rammes af det ultraviolette lys, er blevet kemisk udviklet, resten kan vaskes væk, forlader den ønskede robotstruktur.

"Det er at skrive snarere end traditionel litografi, " Forklarede Ansari. "Du står tilbage med den struktur, du skriver med en laser på harpiksmaterialet. Processen tager nu ret lang tid, så vi ser på måder at skalere det op til at lave hundredvis eller tusindvis af mikro-bots ad gangen."

Nogle af robotterne har fire ben, mens andre har seks. Første forfatter DeaGyu Kim lavede hundredvis af de små strukturer for at bestemme den ideelle konfiguration.

De piezoelektriske aktuatorer, som bruger materialet bly zirconate titanate (PZT), vibrerer, når elektrisk spænding påføres dem. I bakgear, de kan også bruges til at generere en spænding, når de vibreres, en egenskab, som mikrobørste-botterne kan bruge til at tænde for sensorer ombord, når de aktiveres af eksterne vibrationer.

Ansari og hendes team arbejder på at tilføje styreegenskaber til robotterne ved at forbinde to lidt forskellige mikrobørste-bots sammen. Fordi hver af de sammenføjede mikrobots ville reagere på forskellige vibrationsfrekvenser, kombinationen kunne styres ved at variere frekvenser og amplituder. "Når du har en fuldt styrbar mikrorobot, du kan forestille dig at lave en masse interessante ting, " hun sagde.

Andre forskere har arbejdet på mikrorobotter, der bruger magnetiske felter til at producere bevægelse, Ansari bemærkede. Selvom det er nyttigt til at flytte hele sværme på én gang, magnetiske kræfter kan ikke let bruges til at adressere individuelle robotter i en sværm. De mikrobørste-bots, der er skabt af Ansari og hendes team, menes at være de mindste robotter, der drives af vibrationer.

Mikrobørste-botterne er cirka to millimeter lange, 1,8 millimeter bred og 0,8 millimeter tyk, og vejer omkring fem milligram. 3-D printeren kan producere mindre robotter, men med en reduceret masse, vedhæftningskræfterne mellem de bittesmå enheder og en overflade kan blive meget store. Sommetider, mikro-botterne kan ikke adskilles fra pincet, der bruges til at tage dem op.

Ansari og hendes team har bygget en "legeplads", hvor flere mikro-bots kan bevæge sig rundt, mens forskerne lærer mere om, hvad de kan gøre. De er også interesserede i at udvikle mikro-bots, der kan hoppe og svømme.

"Vi kan se på myrernes kollektive adfærd, for eksempel, og anvende det, vi lærer af dem, på vores små robotter, " tilføjede hun. "Disse mikrobørste-bots går pænt i et laboratoriemiljø, men der er meget mere, vi skal gøre, før de kan gå ud i omverdenen."