Microbots kunnen verschillende nuttige toepassingen hebben, met name binnen biomedische en zorginstellingen. Bijvoorbeeld, vanwege hun kleine formaat, deze kleine machines kunnen in het menselijk lichaam worden geplaatst, artsen in staat stellen op afstand onderzoeken uit te voeren of door ziekten getroffen regio's te bedienen.

Het ontwikkelen van benaderingen die de effectieve voortbeweging van microrobots in medische contexten mogelijk maken, echter, is een uitdagende taak vanwege patronen in de vloeistofstroom in het menselijk lichaam. Om deze uitdaging te overwinnen, eerdere studies hebben het gebruik voorgesteld van wielvormige machines die op oppervlakken kunnen rollen, omdat hun structuur een verbeterde voortstuwing en hogere vertaalsnelheden mogelijk maakt.

Ondanks hun belofte, onderzoeksresultaten suggereren dat deze robots niet goed bewegen op vlakke oppervlakken en vaak uitglijden. In een interessante nieuwe studie in Wetenschap Robotica , een team van onderzoekers van de Colorado School of Mines en de University of Colorado Denver hebben een nieuwe aanpak voorgesteld die zou kunnen helpen om de voortbeweging van microrobots op natte oppervlakken te verbeteren.

"Vanwege fundamentele beperkingen in de vloeistofdynamica op kleine schaal, het is moeilijk voor kleine machines om te zwemmen, een beperking die we hebben geprobeerd te overwinnen door methoden te ontwikkelen op basis van wielen en rijden op beschikbare oppervlakken, "Professor David Marr, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde TechXplore. "Deze methoden zijn relatief effectief, [maar] omdat oppervlakken in het lichaam nat zijn, onze wielen hebben de neiging om te slippen en reizen met ongeveer 10 procent van hun theoretische maximum. Het idee van dit werk was om een ​​aanpak te ontwikkelen die slip voorkomt met wielen die als tandwielen op het rijoppervlak passen, in feite het verwijderen van slip en leidend tot een aanzienlijk snellere vertaling."

Prof. Marr en zijn collega's lieten zich inspireren door de wiskunde achter wegen en wielen, deze berekeningen toepassen op kleine wielvormige robots. Ze ontdekten dat specifieke veranderingen in de topografie (d.w.z. fysieke kenmerken) van de 'microweg' waar de robot opereert, de microwielen in staat stellen veel hogere snelheden te bereiken.

De onderzoekers merkten op dat periodieke hobbels op de microroad die door de robots worden afgelegd, de tractie tussen de kleine wielen en nabijgelegen muren kunnen verbeteren. Terwijl op natte, vlakke oppervlakken, de wielen hebben de neiging om te slippen. Daarom, hobbeligere wegen resulteren in een voortbewegingspatroon dat bestaat uit rotaties met slip en antislip flips. Dit verbetert de translatiesnelheid van de wielen aanzienlijk, waarbij de robots tot vier keer sneller bewegen dan op vlakke oppervlakken.

"Wielen met een specifieke vorm en grootte passen perfect op wegen met een bepaald ontworpen vorm, "Prof. Marr legde uit. "Terwijl een rond wiel en een vlakke weg overeenkomen, niet-ronde wielen passen bij oppervlakken met specifieke oneffenheden in de weg. Een uiteindelijk doel is om wielen te ontwikkelen die in vivo beter bij oppervlakken passen, leidend tot snellere therapieën bij ziekten waarbij de behandeling snel moet worden toegediend, bijvoorbeeld."

Het plaatsen van vierkante wielen op een auto lijkt misschien een contra-intuïtieve en inefficiënte manier om zijn voortbeweging te verbeteren. Echter, zoals prof. Marr uitlegt, het adequaat bestraten van de oppervlakken waarop microbots opereren is vaak moeilijk, Vandaar, in deze gevallen, een niet-cirkelvormig wielontwerp kan zelfs voordelig zijn.

"Ons werk onthulde de belangrijke hydrodynamische interactie tussen microwielen en een niet-glad oppervlak, terwijl het meeste werk in de literatuur zich voornamelijk heeft gericht op de voortstuwing van microrobots op vlakke oppervlakken, "Professor Ning Wu, een andere onderzoeker die betrokken is bij het onderzoek, vertelde TechXplore. "Een toepassing van onze bevindingen is de scheiding van microscopische objecten op basis van symmetrie in plaats van grootte."

De bevindingen verzameld door Marr, Wu en hun collega's kunnen verschillende praktische implicaties hebben. Bijvoorbeeld, de onderzoekers zagen dat vierkante en ruitvormige microwielen met vergelijkbare snelheden op een vlak oppervlak rollen, maar met heel verschillende op een hobbelige weg.

Deze eenvoudige observatie kan het strategische ontwerp van oppervlakken waarop microbots zullen opereren, informeren, uiteindelijk hun voortbeweging verbeteren op basis van de vorm van hun wielen. Het bereiken van een snellere rotatie van deze kleine machines op hobbelige oppervlakken zou ook hun manipulatie kunnen vereenvoudigen terwijl ze in specifieke delen van het menselijk lichaam reizen, zoals gedeeltelijk verstopte vasculaire netwerken.

Het recente artikel van Marr, Wu en hun collega's bieden nieuw inzicht dat de ontwikkeling van efficiëntere microbots voor biomedische doeleinden zou kunnen begeleiden. In hun toekomstige werk, de onderzoekers zijn van plan om nog twee onderzoeksrichtingen te verkennen die aanvullende waardevolle observaties kunnen opleveren.

"Eerst, we zullen de topografisch gevormde substraten gebruiken om micro- en nanoscopische deeltjes te scheiden op zowel symmetrie als grootte, omdat we hebben aangetoond dat ze met verschillende snelheden kunnen rollen, " Prof. Wu zei. "De gescheiden deeltjes kunnen dan worden gebruikt als bouwstenen voor het maken van fotonische structuren met interessante interacties tussen licht en materie. Een andere richting is het maken van microwielen van zachte materialen zoals druppeltjes die medicijnen kunnen inkapselen. Ons uiteindelijke doel is om deze zachte wielen binnen complexe vasculaire netwerken te manoeuvreren en ze te gebruiken om medicijnen af ​​te leveren."

© 2019 Wetenschap X Netwerk