Mikroskala raketter kan rejse gennem mobillandskaber

En ny undersøgelse fra laboratoriet af Thomas Mallouk viser, hvordan mikroskala "raketter, "drevet af akustiske bølger og en indbygget boblermotor, kan drives gennem 3D-landskaber af celler og partikler ved hjælp af magneter. Forskningen var et samarbejde mellem forskere ved Penn og University of San Diego, Harbin Institute of Technology i Shenzhen, og Pennsylvania State University, hvor undersøgelsen oprindeligt blev gennemført, og blev offentliggjort i Videnskab fremskridt .

Oprindelseshistorien om de små raketter begyndte med et grundlæggende videnskabeligt spørgsmål:Kunne forskere designe nano- og mikroskala fartøjer, der bruger kemikalier til brændstof til at rejse gennem menneskekroppen? Femten års forskning af Mallouk og andre viste, at det korte svar var "ja, "men forskere stod over for betydelige barrierer for at bruge disse fartøjer i biomedicinske applikationer, fordi de kemikalier, de brugte til brændstof, som hydrogenperoxid, var giftige.

En "tilfældig" opdagelse fik Mallouk og hans gruppe til at fokusere på brugen af ​​en helt anden type brændstof:lydbølger. Mens de forsøgte at flytte deres raketter med akustisk levitation, en proces, der bruges til at løfte partikler fra et objektglas med højfrekvente lydbølger, gruppen var overrasket over at opdage, at ultralyd fik robotterne til at bevæge sig med meget hurtige hastigheder. Mallouk og hans team besluttede at undersøge dette fænomen yderligere for at se, om de kunne bruge højfrekvente lydbølger til at drive deres små fartøjer.

Gruppens seneste papir beskriver designet af mikroskala raketterne, ligner en rundbundet kop 10 mikron i længden og fem mikron bred, eller omtrent på størrelse med en støvpartikel. De afrundede kopper er 3D-trykte ved hjælp af laserlitografi og indeholder et ydre lag af guld og indre lag af nikkel og en polymer. Behandling med et hydrofobt kemikalie, efter at guldet er støbt, får en luftboble til at danne sig og blive fanget inde i raketens hulrum.

I nærvær af ultralydsbølger, boblen inde i raketten er begejstret af højfrekvent svingning ved vand-luft-grænsefladen, som gør boblen til en indbygget motor. Raketten kan derefter styres ved hjælp af et eksternt magnetfelt. Hver enkelt raket har sin egen resonansfrekvens, hvilket betyder, at hvert medlem af en flåde kan drives uafhængigt af de andre. De små raketter er også utroligt dygtige, i stand til at rejse op ad mikroskopiske trapper og svømme frit i tre dimensioner ved hjælp af specielle finner.

En af rakettens mest unikke træk er deres evne til at flytte andre partikler og celler med skarp præcision, selv i overfyldte miljøer. Robotskibene kan enten skubbe partikler i den ønskede retning eller bruge en "traktorbjælke" tilgang til at trække genstande med en attraktiv kraft. Mallouk siger, at evnen til at skubbe genstande uden at forstyrre miljøet "ikke var tilgængelig i større skala, "tilføjer, at traktorbjælken, der bruges af større fartøjer, ikke er så god til præcise bevægelser." Der er meget kontrol, du kan gøre i denne længdeskala, "tilføjer han.

I denne særlige størrelse, raketterne er store nok til ikke at blive påvirket af brunisk bevægelse, de tilfældige og uregelmæssige bevægelser, der opleves af partikler i nanometerstørrelsesområdet, men er små nok til at flytte genstande uden at forstyrre miljøet omkring dem. "På denne særlige længdeskala, vi er lige ved krydset mellem, når strømmen er nok til at påvirke andre partikler, «siger Mallouk.

Ved at øge eller reducere mængden af ​​akustisk "brændstof" giver forskerne raketterne, de kan også kontrollere hastigheden på de små fartøjer. "Hvis jeg vil have det til at gå langsomt, Jeg kan skrue ned for strømmen, og hvis jeg vil have det til at gå rigtig hurtigt, Jeg kan skrue op for strømmen, "forklarer Jeff McNeill, en kandidatstuderende, der arbejder med nano- og mikroskala motoriske projekter. "Det er et virkelig nyttigt værktøj."

Mallouk og hans laboratorium undersøger allerede en række mulige områder for yderligere forskning, herunder måder at aktivere raketterne med lys på, og lave endnu mindre raketter, der ville være hurtigere og stærkere i forhold til deres størrelse. Fremtidige samarbejder med ingeniører og robotikere hos Penn, herunder Dan Hammer, Marc Miskin, Vijay Kumar, James Pikul, og Kathleen Stebe, kunne hjælpe med at gøre raketterne "smarte" ved at tillade dem at udstyre fartøjerne med computerchips og sensorer for at give dem autonomi og intelligens.

Da gruppen overvejer mikroraketens brede medicinske potentiale fra medicinsk billeddannelse til nano-robotik, siger Mallouk, "Vi vil gerne have kontrollerbare robotter, der kan udføre opgaver inde i kroppen:Lever medicin, rotorrooter arterier, diagnostisk snooping. "