Onderzoekers hebben een nieuw type kleine 3D-geprinte robot gemaakt die beweegt door gebruik te maken van trillingen van piëzo-elektrische actuatoren, ultrasone bronnen of zelfs kleine luidsprekers. Zwermen van deze "micro-bristle-bots" kunnen samenwerken om veranderingen in het milieu waar te nemen, materialen verplaatsen - of misschien ooit verwondingen in het menselijk lichaam repareren.

De prototyperobots reageren op verschillende trillingsfrequenties, afhankelijk van hun configuraties, waardoor onderzoekers individuele bots kunnen besturen door de vibratie aan te passen. De bots zijn ongeveer twee millimeter lang - ongeveer zo groot als 's werelds kleinste mier - en kunnen in een seconde vier keer hun eigen lengte afleggen, ondanks de fysieke beperkingen van hun kleine formaat.

"We werken eraan om de technologie robuust te maken, en we hebben veel potentiële toepassingen in gedachten, " zei Azadeh Ansari, een assistent-professor aan de School of Electrical and Computer Engineering aan het Georgia Institute of Technology. "We werken op het snijvlak van mechanica, elektronica, biologie en natuurkunde. Het is een heel rijk gebied en er is veel ruimte voor multidisciplinaire concepten."

Een paper waarin de micro-bristle-bots worden beschreven, is geaccepteerd voor publicatie in de Journal of Micromechanica and Microengineering . Het onderzoek werd ondersteund door een startsubsidie ​​van Georgia Tech's Institute for Electronics and Nanotechnology. Naast Ansari, het onderzoeksteam omvat George W. Woodruff School of Mechanical Engineering, universitair hoofddocent Jun Ueda en afgestudeerde studenten DeaGyu Kim en Zhijian (Chris) Hao.

De micro-bristle-bots bestaan ​​uit een piëzo-elektrische actuator die op een polymeerlichaam is gelijmd dat 3D-geprint is met behulp van twee-fotonpolymerisatielithografie (TPP). De actuator genereert trillingen en wordt extern gevoed omdat geen enkele batterij klein genoeg is om op de bot te passen. De trillingen kunnen ook afkomstig zijn van een piëzo-elektrische schudder onder het oppervlak waarop de robots bewegen, van een ultrasone/sonarbron, of zelfs uit een kleine akoestische luidspreker.

De trillingen bewegen de verende benen op en neer, voortstuwen van de micro-bot naar voren. Elke robot kan worden ontworpen om te reageren op verschillende trillingsfrequenties, afhankelijk van de beengrootte, diameter, ontwerp en algemene geometrie. De amplitude van de trillingen bepaalt de snelheid waarmee de microbots bewegen.

"Terwijl de micro-bristle-bots op en neer bewegen, de verticale beweging wordt vertaald in een gerichte beweging door het ontwerp van de benen te optimaliseren, die eruit zien als borstelharen, ", legt Ansari uit. "De poten van de microrobot zijn ontworpen met specifieke hoeken waardoor ze kunnen buigen en in één richting kunnen bewegen in resonerende reactie op de vibratie."

De micro-bristle-bots zijn gemaakt in een 3D-printer met behulp van het TPP-proces, een techniek die een monomeer harsmateriaal polymeriseert. Zodra het gedeelte van het harsblok dat door het ultraviolette licht wordt geraakt, chemisch is ontwikkeld, de rest kan worden weggespoeld, het verlaten van de gewenste robotstructuur.

"Het is schrijven in plaats van traditionele lithografie, " legde Ansari uit. "Je blijft zitten met de structuur die je met een laser op het harsmateriaal schrijft. Het proces duurt nu vrij lang, dus we kijken naar manieren om het op te schalen om honderden of duizenden microbots tegelijk te maken."

Sommige robots hebben vier poten, terwijl anderen er zes hebben. Eerste auteur DeaGyu Kim maakte honderden van de kleine structuren om de ideale configuratie te bepalen.

De piëzo-elektrische aandrijvingen, die het materiaal loodzirkonaattitanaat (PZT) gebruiken, trillen wanneer er elektrische spanning op wordt gezet. omgekeerd, ze kunnen ook worden gebruikt om een ​​spanning op te wekken, wanneer ze worden getrild, een mogelijkheid die de micro-bristle-bots zouden kunnen gebruiken om sensoren aan boord van stroom te voorzien wanneer ze worden geactiveerd door externe trillingen.

Ansari en haar team werken aan het toevoegen van stuurmogelijkheden aan de robots door twee enigszins verschillende micro-bristle-bots samen te voegen. Omdat elk van de samengevoegde microbots zou reageren op verschillende trillingsfrequenties, de combinatie zou kunnen worden gestuurd door de frequenties en amplitudes te variëren. "Als je eenmaal een volledig bestuurbare microrobot hebt, je kunt je voorstellen dat je veel interessante dingen doet, " ze zei.

Andere onderzoekers hebben gewerkt aan microrobots die magnetische velden gebruiken om beweging te produceren, merkte Ansari op. Hoewel dat handig is om hele zwermen in één keer te verplaatsen, magnetische krachten kunnen niet gemakkelijk worden gebruikt om individuele robots binnen een zwerm aan te pakken. De micro-bristle-bots die door Ansari en haar team zijn gemaakt, worden beschouwd als de kleinste robots die worden aangedreven door trillingen.

De micro-bristle-bots zijn ongeveer twee millimeter lang, 1,8 millimeter breed en 0,8 millimeter dik, en weegt ongeveer vijf milligram. De 3D-printer kan kleinere robots produceren, maar met een verminderde massa, de adhesiekrachten tussen de kleine apparaten en een oppervlak kunnen erg groot worden. Soms, de microbots kunnen niet worden gescheiden van het pincet dat wordt gebruikt om ze op te pakken.

Ansari en haar team hebben een 'speeltuin' gebouwd waarin meerdere microbots kunnen bewegen terwijl de onderzoekers meer te weten komen over wat ze kunnen doen. Ze zijn ook geïnteresseerd in het ontwikkelen van microbots die kunnen springen en zwemmen.

"We kunnen kijken naar het collectieve gedrag van mieren, bijvoorbeeld, en toepassen wat we ervan leren op onze kleine robots, " voegde ze eraan toe. "Deze micro-borstelbots lopen mooi in een laboratoriumomgeving, maar er is nog veel meer dat we moeten doen voordat ze de buitenwereld in kunnen."