Bløde mikrorobotter med superkompatible picoforce-fjedre som indbyggede sensorer og aktuatorer

Integrationen af ​​mekanisk hukommelse i form af fjedre har i hundreder af år vist sig at være en nøgleteknologi for mekaniske enheder (såsom ure), der opnår avanceret funktionalitet gennem komplekse autonome bevægelser. I øjeblikket har integrationen af ​​fjedre i siliciumbaseret mikroteknologi åbnet en verden af ​​plane masseproducerbare mekatroniske enheder, som vi alle drager fordel af, for eksempel via airbag-sensorer.

For en ny generation af minimalt og endda ikke-invasive biomedicinske applikationer skal mobile enheder, der sikkert kan interagere mekanisk med celler opnås ved meget mindre skalaer (10 mikron) og med meget blødere kræfter (pico Newton-skala, dvs. løfte vægte mindre) end en milliontedel af en mg) og i tilpassede tredimensionelle former.

Forskere ved Chemnitz University of Technology, Shenzhen Institute of Advanced Technology ved det kinesiske videnskabsakademi og Leibniz IFW Dresden i en nylig publikation i Nature Nanotechnology , har vist, at kontrollerbare fjedre kan integreres på vilkårligt valgte steder i bløde tredimensionelle strukturer ved hjælp af konfokal fotolitografisk fremstilling (med nanoskala-præcision) af et nyt magnetisk aktivt materiale i form af en fotoresist imprægneret med tilpassede tætheder af magnetiske nanopartikler.

Disse "picofjedre" har en bemærkelsesværdig stor og justerbar kompatibilitet og kan fjernstyres gennem magnetiske felter (selv dybt inde i den menneskelige krop), hvilket tillader artikuleret bevægelse i mikrorobotter såvel som mikromanipulationer langt ud over det nyeste.

Desuden kan forlængelsen af ​​picofjedrene også bruges visuelt til at måle kræfter, for eksempel fremdrifts- eller gribekræfter, i samspil med andre objekter som celler. For eksempel er disse picosprings blevet brugt til at måle sædcellers lokomotivfremdrivningskraft.

Publikationen fremviser disse egenskaber ved at demonstrere adskillige mikrobots (inklusive en mikropingvin), der indeholder picosprings på flere steder, som kan udføre disse opgaver på cellulær skala:drive sig selv, gribe og frigive celler og måle de minimale kræfter, der er nødvendige for at gøre dette sikkert.

Dr. Haifeng Yu, førsteforfatter af undersøgelsen og gruppeleder ved det kinesiske videnskabsakademi i Shenzhen (Kina), siger:"Programmerbar elasticitet på mikrometerskalaen tilbyder en gennemførlig strategi til fremstilling af 3D-enheder og fint strukturerede 'mikrokirurger' i stand til at udføre komplekse medicinske opgaver."

Dr. Mariana Medina-Sanchez, gruppeleder ved Leibniz IFW og BCUBE-TU Dresden, medforfatter og co-supervisor for dette arbejde, tilføjer:"Disse picospring-baserede mikromaskiner med programmerbar elasticitet og magnetisme, fremstillet gennem monolitisk fremstilling, åben talrige muligheder for lokaliseret kraftføling og aktivering i miljøer med lavt Reynolds-tal. Denne alsidighed understreger deres betydning på tværs af et spektrum af biomedicinske applikationer."

Prof. Oliver Schmidt, som er den sidste forfatter til artiklen og overvågede dette arbejde, ser dette som endnu et vigtigt skridt i overgangen til livsklar, blød og smart modulær mikrorobotik. "Fjernstyrede mikroenheder, der bruger magnetiske felter, danner en særlig lovende teknologi til ikke-invasive medicinske applikationer - og nu strækker dette sig til mekaniske mekanismer inde i disse fjerntliggende mikroanordninger," siger Schmidt.

"At være i stand til at inkorporere designerfjedre vil også tilføje et nyt værktøj til den voksende evne på TU Chemnitz til mikroelektronisk morfogenese og kunstigt liv," tilføjer prof. John McCaskill, medforfatter af undersøgelsen, medlem af Research Center MAIN, og grundlæggeren direktør for European Center for Living Technology.

Flere oplysninger: Haifeng Xu et al., 3D nanofabrikerede bløde mikrorobotter med superkompatible picoforce-fjedre som indbyggede sensorer og aktuatorer, Nature Nanotechnology (2024). DOI:10.1038/s41565-023-01567-0

Journaloplysninger: Naturenanoteknologi

Leveret af Chemnitz University of Technology