Forbedring af bevægelsen af ​​små robotter med mikrohjul

Mikrobots kan have flere nyttige applikationer, især inden for biomedicinske og sundhedsmæssige rammer. For eksempel, på grund af deres lille størrelse, disse små maskiner kunne indsættes i den menneskelige krop, giver læger mulighed for at fjernudføre undersøgelser eller operere regioner, der er ramt af sygdomme.

Udvikling af tilgange, der muliggør effektiv bevægelse af mikrorobotter i medicinske sammenhænge, imidlertid, er en udfordrende opgave på grund af mønstre i strømmen af ​​væsker inde i den menneskelige krop. For at overkomme denne udfordring, tidligere undersøgelser har foreslået brugen af ​​hjulformede maskiner, der kan rulle på overflader, da deres struktur giver mulighed for forbedret fremdrift og hurtigere oversættelseshastigheder.

På trods af deres løfte, Forskningsresultater tyder på, at disse robotter ikke bevæger sig godt på flade overflader og ofte glider. I en interessant ny undersøgelse præsenteret i Videnskab robotik , et team af forskere ved Colorado School of Mines og University of Colorado Denver har foreslået en ny tilgang, der kan hjælpe med at forbedre mikrorobotternes bevægelse på våde overflader.

"På grund af grundlæggende begrænsninger i væskedynamik i små skalaer, det er svært for små maskiner at svømme, en begrænsning vi har forsøgt at overvinde ved at udvikle metoder baseret på hjul og kørsel på tilgængelige overflader, " Professor David Marr, en af ​​de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte TechXplore. "Disse metoder er relativt effektive, [men] fordi overflader i kroppen er våde, vores hjul har en tendens til at glide og køre med omkring 10 procent af deres teoretiske maksimum. Ideen med dette arbejde var at udvikle en tilgang, der forhindrer slip med hjul, der passer som tandhjul på kørselsoverfladen, i realiteten fjerner slip og fører til markant hurtigere oversættelse."

Prof. Marr og hans kolleger hentede inspiration fra matematikken bag veje og hjul, at anvende disse beregninger på små hjulformede robotter. De fandt ud af, at specifikke ændringer i topografien (dvs. fysiske egenskaber) af 'mikrovejen', hvor robotten arbejder, gør det muligt for mikrohjulene at nå langt højere hastigheder.

Forskerne observerede, at periodiske bump på mikrovejen, som robotterne rejser, kan forbedre trækkraften mellem de små hjul og nærliggende vægge. På våde flade overflader, hjulene har en tendens til at glide. Derfor, ujævne veje resulterer i et bevægelsesmønster, der består af rotationer med slip og skridsikre flip. Dette øger hjulenes oversættelseshastighed betydeligt, med robotterne, der bevæger sig op til fire gange hurtigere, end de ville på flade overflader.

"Hjul med specifik form og størrelse passer perfekt til veje med en bestemt designet form, " Prof. Marr forklarede. "Mens et rundt hjul og en flad vej matcher, ikke-runde hjul matcher overflader med specifikke bump på vejen. Et endeligt mål er at udvikle hjul, der bedre matcher overflader in vivo, fører til hurtigere behandling af sygdomme, hvor behandlingen skal administreres hurtigt, for eksempel."

At sætte firkantede hjul på en bil kan virke som en kontraintuitiv og ineffektiv måde at forbedre dens bevægelse på. Imidlertid, som prof. Marr forklarer, Det er ofte vanskeligt at belægge de overflader, som mikrobots opererer på, tilstrækkeligt, derfor, i disse tilfælde, et ikke-cirkulært hjuldesign kan faktisk være gavnligt.

"Vores arbejde afslørede den vigtige hydrodynamiske interaktion mellem mikrohjul og ikke-glat overflade, mens det meste af litteraturen primært har fokuseret på fremdriften af ​​mikrorobotter på flade overflader, " Professor Ning Wu, en anden forsker involveret i undersøgelsen, fortalte TechXplore. "En anvendelse af vores resultater vil være adskillelse af mikroskopiske objekter baseret på symmetri snarere end størrelse."

Resultaterne indsamlet af Marr, Wu og deres kolleger kunne have flere praktiske konsekvenser. For eksempel, forskerne observerede, at firkantede og diamantformede mikrohjul ruller med lignende hastigheder på en flad overflade, men med meget forskellige på en ujævn vej.

Denne enkle observation kunne informere det strategiske design af overflader, som mikrobots vil operere på, i sidste ende forbedre deres bevægelse baseret på formen på deres hjul. At opnå hurtigere rotation af disse små maskiner på ujævne overflader kan også forenkle deres manipulation, mens de rejser i bestemte områder af den menneskelige krop, såsom delvist blokerede vaskulære netværk.

Den nylige avis af Marr, Wu og deres kolleger tilbyder ny indsigt, der kan guide udviklingen af ​​mere effektive mikrobots til biomedicinske formål. I deres fremtidige arbejde, forskerne planlægger at udforske yderligere to forskningsretninger, der kan give yderligere værdifulde observationer.

"Først, vi vil bruge de topografisk mønstrede substrater til at adskille mikro- og nanoskopiske partikler på både symmetri og størrelse, da vi har vist, at de kan rulle med forskellige hastigheder, " Prof. Wu sagde. "De adskilte partikler kan derefter bruges som byggesten til at lave fotoniske strukturer med interessante lys-stof-interaktioner. En anden retning vil være at lave mikrohjul af bløde materialer såsom dråber, der kan indkapsle lægemidler. Vores ultimative mål er at manøvrere disse bløde hjul inden for komplekse vaskulære netværk og bruge dem til at levere medicin."

© 2019 Science X Network