Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van Dr. Oliver Schmidt, werkend bij Chemnitz University of Technology (TU Chemnitz) en Leibniz IFW Dresden heeft onlangs een microrobitisch systeem ontwikkeld met een breed scala aan mogelijke toepassingen, variërend van het uitvoeren van micro-operaties tot het afleveren van goederen aan mensen. Deze robot, gepresenteerd in een paper gepubliceerd in Natuur Elektronica , bouwt voort op een idee dat bijna tien jaar geleden door hetzelfde team van onderzoekers werd geïntroduceerd.

"We begonnen bijna tien jaar geleden met het verkennen van het idee om een ​​klein microrobotsysteem te creëren dat zelfaangedreven wordt door een krachtige straalmotor en dat micro-elektronische componenten aan boord heeft. " vertelde Schmidt aan TechXplore. "Ons oorspronkelijke idee was om een ​​slim zelfrijdend microsysteem te bouwen dat kan interageren met afzonderlijke biologische cellen, die van vergelijkbare grootte zijn als het microsysteem zelf. Dit systeem moet zich kunnen verplaatsen, zijn omgeving voelen, vracht vervoeren, medicijnen afleveren en micro-operaties uitvoeren."

Sinds Schmidt en zijn collega's voor het eerst hun concept voor een microrobotsysteem introduceerden, hun team en verschillende anderen over de hele wereld hebben geprobeerd vergelijkbare technologieën te creëren, voornamelijk in vitro (d.w.z. petrischaaltjes gebruiken). Uitvoering zoals systeem in het menselijk lichaam, echter, bleek veel uitdagender te zijn. In feite, om taken in het lichaam te voltooien, het systeem zou van buitenaf moeten worden bestuurd en de informatie die het verzamelt (bijv. diagnostische gegevens) moet gemakkelijk naar de buitenwereld kunnen worden overgebracht (bijv. naar artsen of beroepsbeoefenaren in de gezondheidszorg).

"Om een ​​microrobotsysteem in het menselijk lichaam te laten werken, het moet elektrische energie bevatten, sensoren, actuatoren, antennes en micro-elektronische schakelingen, " legde Schmidt uit. "Het belangrijkste doel van ons recente werk was om een ​​grote stap te zetten in de richting van dit uiteindelijke (en weliswaar zeer ambitieuze) einddoel; nog steeds op een vereenvoudigde manier, natuurlijk."

Schmidt en zijn collega's hebben hun flexibele microsysteem gefabriceerd door micro- en nano-elektronische componenten op een chipoppervlak te integreren, op een vergelijkbare manier als hoe siliciumtechnologie wordt gebruikt om computerchips te bouwen. Een belangrijk verschil tussen hun systeem en gewone computerchips, echter, is dat het ontwerp van de eerstgenoemde straalmotoren omvat die zijn gemaakt met behulp van een benadering die ongeveer twintig jaar geleden werd ontwikkeld, die doorgaans niet wordt gebruikt bij de ontwikkeling van reguliere micro-elektronica.

"De truc bestaat erin om zeer gespannen dunne materialen op de chip te plaatsen, die terugklikken (oprollen) in microbuisstructuren van Swiss roll, wanneer ze worden gedelamineerd van het chipoppervlak, "Zei Schmidt. "Deze procedure kan goed worden gecontroleerd, zodat de opgerolde microbuisjes aan twee tegenover elkaar liggende zijden stevig zijn verbonden met het microrobotsysteem. Als deze microbuisjes zijn gecoat met platina aan de binnenkant, zuurstofbellen worden gegenereerd door een katalytische reactie, zodra het platina in contact komt met een waterige oplossing die een klein beetje waterstofperoxide (H ₂ O ₂ )."

Als gevolg van de niet-conventionele ontwerpstrategie van Schmidt en zijn collega's, wanneer het microrobotsysteem in een waterige oplossing wordt geplaatst die waterstofperoxide (H ₂ O ₂ ) de oplossing gaat zijn twee microbuisjes binnen, zuurstofbellen genereren. Deze bellen worden vervolgens buiten de uiteinden van de microbuisjes geduwd, het systeem versnellen door een mechanisme dat bekend staat als straalaandrijving.

"Dit straalvoortstuwingsprincipe werd 12 jaar geleden door onze groep ontwikkeld, " zei Schmidt. Echter, een twin-jet motor zoals in ons huidige werk is nooit eerder gebouwd."

De katalytische reactie in de kern van de straalvoortstuwingsstrategie van de onderzoekers kan worden gecontroleerd door de temperatuur van de straalmotoren te veranderen. Een hoge temperatuur resulteert in meer bellen en een sterkere stuwkracht; een lage temperatuur in minder bellen en een zwakkere stuwkracht.

Schmidt en zijn collega's regelen de temperatuur van een van de twee straalmotoren door een stroom aan te leggen die door een weerstandselement gaat, die op de motor is aangesloten. Veranderingen in temperatuur verhogen de hoeveelheid gegenereerde bellen en de daaropvolgende stuwkracht in een van de straalmotoren, waardoor het systeem op zijn beurt bochten naar rechts of naar links kan maken.

"Je kunt je afvragen hoe we de stroom hebben geleverd die het weerstandselement verwarmt, "Zei Schmidt. "Voor dit doel, we hebben een kleine antenne in het microsysteem geïntegreerd die kan worden gevoed door draadloze energie van buitenaf (vergelijkbaar met draadloos inductief opladen van uw mobiele telefoon). Dus elektrische energie is aan boord en kan worden gebruikt, dat is helemaal nieuw voor zo'n kleine zelfrijdende microbot."

De kleine robot die Schmidt en zijn collega's hebben ontwikkeld, heeft ook een armpje, waardoor het kleine voorwerpen in zijn omgeving kan grijpen en loslaten. Wanneer de temperatuur van het systeem verandert, de kleine arm voert verschillende handelingen uit, bukken om voorwerpen te grijpen (bijv. micropillen) of bukken om ze los te laten.

"Deze geïntegreerde robotarm is ook een geheel nieuwe functie voor zelfrijdende microsystemen, " zei Schmidt. "Eindelijk, de microrobot kan een kleine infrarood-LED aan boord hebben, die kan worden ingeschakeld door de draadloos overgedragen energie. Deze LED kan handig zijn om de microrobot in het lichaam te volgen. Het in- en uitschakelen van kleine LED's op een beweeglijke microrobot is nog nooit eerder vertoond."

Het kleine robotsysteem dat door Schmidt en zijn team is ontwikkeld, is gemaakt van zeer flexibel materiaal. Dit betekent dat het kan worden gebogen of vervormd zonder te breken, het kan dus zelfs door kleine haarvaten of andere kleine kanaaltjes in het menselijk lichaam gaan en normaal blijven werken.

In de toekomst, dit nieuwe systeem zou een aantal waardevolle toepassingen kunnen hebben. Bijvoorbeeld, het kan taken in het menselijk lichaam uitvoeren die een hoge mate van precisie vereisen, inclusief chirurgische of diagnostische procedures.

"We hebben aangetoond dat elektrische energie draadloos kan worden overgedragen naar ultrakleine microrobotsystemen en dat deze energie kan worden gebruikt om nuttige taken uit te voeren:de microrobot op afstand besturen of een infrarood-LED in- en uitschakelen, " zei Schmidt. "De volgende stap zal zijn om het systeem in biologische vloeistoffen zoals bloed in werking te stellen. Voor dit doeleinde, de motoren moeten op een iets andere manier worden gebouwd."

© 2020 Wetenschap X Netwerk