Een nieuwe studie van het lab van Thomas Mallouk laat zien hoe microschaal "raketten, " aangedreven door akoestische golven en een ingebouwde bubbelmotor, kan met behulp van magneten door 3D-landschappen van cellen en deeltjes worden gereden. Het onderzoek was een samenwerking tussen onderzoekers van Penn en de Universiteit van San Diego, het Harbin Instituut voor Technologie in Shenzhen, en de staatsuniversiteit van Pennsylvania, waar het onderzoek oorspronkelijk werd uitgevoerd, en werd gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

Het oorsprongsverhaal van de kleine raketten begon met een fundamentele wetenschappelijke vraag:kunnen wetenschappers nano- en microschaalvaartuigen ontwerpen die chemicaliën gebruiken als brandstof om door het menselijk lichaam te reizen? Vijftien jaar onderzoek door Mallouk en anderen toonde aan dat het korte antwoord was "ja, " maar onderzoekers werden geconfronteerd met aanzienlijke belemmeringen voor het gebruik van deze schepen in biomedische toepassingen omdat de chemicaliën die ze voor brandstof gebruikten, zoals waterstofperoxide, waren giftig.

Een "toevallige" ontdekking bracht Mallouk en zijn groep ertoe zich te concentreren op het gebruik van een heel ander type brandstof:geluidsgolven. Terwijl ze hun raketten proberen te bewegen met akoestische levitatie, een proces dat wordt gebruikt om deeltjes van een microscoopglaasje te tillen met hoogfrequente geluidsgolven, de groep was verrast toen ze ontdekten dat ultrageluid de robots met zeer hoge snelheden deed bewegen. Mallouk en zijn team besloten dit fenomeen verder te onderzoeken om te zien of ze hoogfrequente geluidsgolven konden gebruiken om hun kleine schepen van stroom te voorzien.

Het nieuwste artikel van de groep beschrijft het ontwerp van de microschaalraketten, die lijkt op een beker met ronde bodem van 10 micron lang en vijf micron breed, of ongeveer de grootte van een stofdeeltje. De ronde cups zijn 3D-geprint met behulp van laserlithografie en bevatten een buitenlaag van goud en binnenlagen van nikkel en een polymeer. Behandeling met een hydrofobe chemische stof nadat het goud is gegoten, veroorzaakt de vorming van een luchtbel die vast komt te zitten in de holte van de raket.

In aanwezigheid van ultrasone golven, de bel in de raket wordt geëxciteerd door hoogfrequente oscillatie op het water-lucht-interface, die de bel in een boordmotor verandert. De raket kan dan worden bestuurd met behulp van een extern magnetisch veld. Elke individuele raket heeft zijn eigen resonantiefrequentie, wat betekent dat elk lid van een vloot onafhankelijk van de anderen kan worden bestuurd. De kleine raketten zijn ook ongelooflijk bedreven, in staat om microscopisch kleine trappen op te gaan en vrij te zwemmen in drie dimensies met behulp van speciale vinnen.

Een van de meest unieke eigenschappen van de raket is hun vermogen om andere deeltjes en cellen met scherpe precisie te verplaatsen, zelfs in drukke omgevingen. De robotschepen kunnen deeltjes in de gewenste richting duwen of een "tractor beam" -benadering gebruiken om objecten met een aantrekkingskracht te trekken. Mallouk zegt dat de mogelijkheid om objecten te duwen zonder de omgeving te verstoren "niet op grotere schaal beschikbaar was, " eraan toevoegend dat de trekstraalbenadering die wordt gebruikt door grotere schepen niet zo goed is in precieze bewegingen. "Er is veel controle die u kunt doen op deze lengteschaal, " hij voegt toe.

Bij deze specifieke maat, de raketten zijn groot genoeg om niet te worden beïnvloed door Brownse beweging, de willekeurige en grillige bewegingen die worden ervaren door deeltjes in het bereik van nanometers, maar zijn klein genoeg om objecten te verplaatsen zonder de omgeving eromheen te verstoren. "Op deze specifieke lengteschaal, we zijn precies op het kruispunt tussen wanneer de kracht genoeg is om andere deeltjes te beïnvloeden, ' zegt Mallouk.

Door de hoeveelheid akoestische "brandstof" te vergroten of te verkleinen, leveren de onderzoekers de raketten, ze kunnen ook de snelheid van de kleine schepen regelen. "Als ik wil dat het langzaam gaat, Ik kan de stroom uitzetten, en als ik wil dat het heel snel gaat, Ik kan de stroom hoger zetten, " legt Jeff McNeill uit, een afgestudeerde student die werkt aan motorprojecten op nano- en microschaal. "Dat is een heel handig hulpmiddel."

Mallouk en zijn laboratorium onderzoeken al een aantal mogelijke gebieden voor verder onderzoek, inclusief manieren om de raketten met licht aan te sturen, en het maken van nog kleinere raketten die sneller en sterker zouden zijn voor hun grootte. Toekomstige samenwerkingen met ingenieurs en robotici bij Penn, inclusief Dan Hammer, Marc Miskin, Vijay Kumar, James Pikul, en Kathleen Stebe, zou kunnen helpen om de raketten "slim" te maken door hen in staat te stellen de schepen uit te rusten met computerchips en sensoren om ze autonomie en intelligentie te geven.

Aangezien de groep het brede medische potentieel van de micro-raket beschouwt, van medische beeldvorming tot nano-robotica, zegt Mallouk:"We willen graag bestuurbare robots die taken in het lichaam kunnen uitvoeren:medicijnen afleveren, rotor rooter slagaders, diagnostisch snuffelen."