En fleksibel mikrorobot, der kan overleve næsten enhver deformation

Et internationalt forskerhold ledet af Dr. Oliver Schmidt, arbejder ved Chemnitz University of Technology (TU Chemnitz) og Leibniz IFW Dresden har for nylig udviklet et mikrorobisk system med en bred vifte af mulige anvendelser, lige fra at gennemføre mikrooperationer til at levere varer til mennesker. Denne robot, præsenteret i et papir udgivet i Naturelektronik , bygger på en idé introduceret af det samme team af forskere for næsten ti år siden.

"Vi begyndte først at udforske ideen om at skabe et lille mikrorobotsystem, der er selvkørende af en kraftig jetmotor og har mikroelektroniske komponenter om bord for næsten ti år siden, Schmidt fortalte TechXplore. "Vores første idé var at bygge et smart selvkørende mikrosystem, der kan interagere med enkelte biologiske celler, som er af samme størrelse som mikrosystemet selv. Dette system skal være i stand til at flytte rundt, fornemme sit miljø, transportere gods, levere medicin og udføre mikrooperationer."

Siden Schmidt og hans kolleger først introducerede deres koncept for et mikrorobotsystem, deres team og flere andre verden over har forsøgt at skabe lignende teknologier, primært in vitro (dvs. ved hjælp af petriskåle). Implementering såsom system inde i den menneskelige krop, imidlertid, har vist sig at være langt mere udfordrende. Faktisk, for at udføre opgaver inde i kroppen, systemet skal kontrolleres udefra, og de oplysninger, det indsamler (f.eks. diagnostiske data), skal nemt formidles til den ydre verden (f.eks. til læger eller sundhedspersonale).

"For at et mikrorobotsystem skal fungere i den menneskelige krop, den skal indeholde elektrisk energi, sensorer, aktuatorer, antenner og mikroelektroniske kredsløb, " Schmidt forklarede. "Hovedformålet med vores seneste arbejde var at tage et stort skridt hen imod dette endelige (og ganske vist meget ambitiøse) endelige mål; stadig på en forenklet måde, selvfølgelig."

Schmidt og hans kolleger fremstillede deres fleksible mikrosystem ved at integrere mikro- og nanoelektroniske komponenter på en chipoverflade, på samme måde som, hvordan siliciumteknologi bruges til at bygge computerchips. En vigtig forskel mellem deres system og almindelige computerchips, imidlertid, er, at førstnævntes design inkluderer jetmotorer, der er skabt ved hjælp af en tilgang, der blev pioneret for omkring tyve år siden, som ikke typisk bruges i udviklingen af ​​almindelig mikroelektronik.

"Tricket består i at lægge meget belastede tynde materialer på chippen, som klikker tilbage (roll-up) ind i Swiss roll mikrorørstrukturer, når de er delamineret fra chipoverfladen, " sagde Schmidt. "Denne procedure kan styres godt, så de sammenrullede mikrorør er fast forbundet på to modsatte sider af mikrorobotsystemet. Hvis disse mikrorør er belagt med platin indeni, iltbobler dannes ved en katalytisk reaktion, når platinet kommer i kontakt med vandig opløsning indeholdende en lille smule hydrogenperoxid (H ₂ O ₂ )."

Som et resultat af den ikke-konventionelle designstrategi brugt af Schmidt og hans kolleger, når mikrorobotsystemet placeres i en vandig opløsning indeholdende hydrogenperoxid (H ₂ O ₂ ) opløsningen kommer ind i de to mikrorør, generere iltbobler. Disse bobler skubbes derefter uden for mikrorørets ender, accelererer systemet ved en mekanisme kendt som jetfremdrift.

"Dette jetfremdrivningsprincip blev udviklet af vores gruppe for 12 år siden, " sagde Schmidt. Men en twin-jet motor som i vores nuværende arbejde blev aldrig konstrueret før."

Den katalytiske reaktion i kernen forskernes jetfremdriftsstrategi kan styres ved at ændre temperaturen på jetmotorerne. En høj temperatur resulterer i flere bobler og et stærkere tryk; en lav temperatur i færre bobler og et svagere fremstød.

Schmidt og hans kolleger styrer temperaturen på en af ​​de to jetmotorer ved at påføre en strøm, der passerer gennem et resistivt element, som er tilsluttet motoren. Ændringer i temperatur øger mængden af ​​genererede bobler og den efterfølgende fremdrift i en af ​​jetmotorerne, hvilket igen gør det muligt for systemet at foretage højre- eller venstresving.

"Du kan spørge dig selv, hvordan vi tilførte strømmen, der opvarmer det resistive element, " sagde Schmidt. "Til dette formål, vi integrerede en lillebitte antenne i mikrosystemet, som kan forsynes med trådløs energi udefra (svarende til trådløs induktiv opladning af din mobiltelefon). Så elektrisk energi er ombord og kan bruges, hvilket er helt nyt for sådan en lille selvkørende mikrobot."

Den lille robot udviklet af Schmidt og hans kolleger har også en lille arm, som gør det muligt for den at gribe og frigive små genstande i sine omgivelser. Når systemets temperatur ændres, den lille arm udfører forskellige handlinger, bøje sig op for at gribe genstande (f.eks. mikropiller) eller bøje sig ned for at frigive dem.

"Denne integrerede robotarm er også en helt ny funktion til selvkørende mikrosystemer, " sagde Schmidt. "Endelig, mikrorobotten kan have en lille infrarød LED ombord, som kan tændes af den trådløst overførte energi. Denne LED kan være nyttig til at spore mikrorobotten inde i kroppen. At tænde og slukke for små lysdioder på en bevægelig mikrorobot er aldrig blevet vist før."

Det lille robotsystem udviklet af Schmidt og hans team er lavet af et meget fleksibelt materiale. Det betyder, at den kan bøjes eller deformeres uden at gå i stykker, således kan det endda passere gennem små kapillærer eller andre små kanaler i den menneskelige krop og fortsætte med at fungere normalt.

I fremtiden, dette nye system kan have en række værdifulde anvendelser. For eksempel, det kunne udføre opgaver inde i den menneskelige krop, der kræver et højt niveau af præcision, herunder kirurgiske eller diagnostiske procedurer.

"Vi har demonstreret, at elektrisk energi kan overføres trådløst til ultrasmå mikrorobotsystemer, og at denne energi kan bruges til at udføre nyttige opgaver:Fjernstyre mikrorobotten eller tænde og slukke for en infrarød LED, " sagde Schmidt. "Det næste skridt vil være at køre systemet i biologiske væsker såsom blod. Til dette formål, motorerne skal konstrueres på en lidt anden måde."

© 2020 Science X Network