MIT:n insinöörit kehittävät uraauurtavan mikroskaalan akun autonomiseen robotiikkaan

Mikromittakaavaisen robotiikan ala on jo pitkään paininut perustavanlaatuisen haasteen kanssa: kuinka tarjota riittävästi tehoa autonomisille laitteille, jotka ovat tarpeeksi pieniä liikkumaan ihmiskehossa tai teollisuusputkissa. Perinteiset virtalähteet ovat olleet liian suuria tai tehottomia tällaisiin sovelluksiin, mikä rajoittaa näiden miniatyyriihmeiden mahdollisuuksia. Kuitenkin a uraauurtava kehitys Massachusetts Institute of Technology (MIT) lupaa voittaa tämän esteen, mikä saattaa aloittaa uuden aikakauden mikromittakaavassa robotiikkaa.

MIT:n insinöörit ovat suunnitelleet akun, joka on niin pieni, että se kilpailee hiuksen paksuuden kanssa, mutta silti riittävän tehokas energisoimaan autonomisia mikrorobotteja. Tämä innovaatio voisi muuttaa aloja terveydenhoidosta teollisuuden kunnossapitoon tarjoten ennennäkemättömät mahdollisuudet kohdennettuihin toimenpiteisiin ja tarkastuksiin aiemmin saavuttamattomissa ympäristöissä.

Miniatyrisoinnin voima

Uusi MIT:n kehittämä akku työntää miniatyrisoinnin rajoja merkittäviin äärimmäisyyksiin. Tämä virtalähde on vain 0.1 millimetriä pitkä ja 0.002 millimetriä paksu, joten se on tuskin havaittavissa paljaalla silmällä. Pienestä koostaan ​​huolimatta akussa on huomattava teho, joka pystyy tuottamaan jopa 1 voltin sähköä, mikä riittää pienten piirien, antureiden tai toimilaitteiden tehoon.

Tämän akun toimivuuden avain piilee sen innovatiivisessa suunnittelussa. Se valjastaa ympäröivän ilman happea hapettamaan sinkkiä ja luomaan sähkövirran. Tämä lähestymistapa mahdollistaa akun toiminnan erilaisissa ympäristöissä ilman ulkoisia polttoainelähteitä, mikä on ratkaiseva tekijä autonomisen toiminnan kannalta erilaisissa ympäristöissä.

Verrattuna olemassa oleviin pienten robottien virtalähteisiin, MIT:n akku edustaa merkittävää harppausta eteenpäin. Aiemmat yritykset käyttää mikroskooppisia laitteita ovat usein perustuneet ulkoisiin energialähteisiin, kuten lasereihin tai sähkömagneettisiin kenttiin. Vaikka nämä menetelmät olivat tehokkaita kontrolloiduissa ympäristöissä, ne rajoittivat merkittävästi robottien toimintasädettä ja autonomiaa. Uusi akku puolestaan ​​tarjoaa sisäisen virtalähteen, mikä laajentaa huomattavasti mikrorobottien potentiaalisia sovelluksia ja toiminnan laajuutta.

Autonomisten mikrorobottien vapauttaminen

Tämän mikroskaalan akun kehitys merkitsee keskeistä muutosta robotiikan alalla, erityisesti autonomisten mikrolaitteiden alalla. Integroimalla virtalähteen suoraan näihin pieniin koneisiin, tutkijat voivat nyt kuvitella todella itsenäisiä robottijärjestelmiä, jotka pystyvät toimimaan monimutkaisissa, todellisissa ympäristöissä.

Tämä lisääntynyt autonomia on jyrkässä ristiriidassa sille, mitä tutkijat kutsuvat "marionetteiksi" - mikrorobotit, jotka ovat riippuvaisia ​​ulkoisista virtalähteistä ja ohjausmekanismeista. Vaikka tällaiset järjestelmät ovat osoittaneet vaikuttavia ominaisuuksia, niiden riippuvuus ulkoisista tuloista rajoittaa niiden mahdollisia sovelluksia, erityisesti vaikeapääsyisissä tai herkissä ympäristöissä.

Michael Strano, MIT:n kemiantekniikan Carbon P. Dubbs -professori ja tutkimuksen vanhempi kirjoittaja, korostaa tämän teknologian mullistavaa potentiaalia: ”Uskomme, että tämä tulee olemaan erittäin mahdollistava robotiikalle. Rakennamme robottitoimintoja akkuun ja alamme koota näitä komponentteja laitteiksi.”

Mahdollisuus syöttää virtaa eri komponentteihin, mukaan lukien toimilaitteet, muistipiirit, kellopiirit ja anturit, avaa näille mikroroboteille laajan valikoiman mahdollisuuksia. Ne voisivat mahdollisesti navigoida monimutkaisissa ympäristöissä, käsitellä tietoa, seurata aikaa ja reagoida kemiallisiin ärsykkeisiin – kaikki riittävän pienellä muotokertoimella, jotta ne pääsevät ihmiskehoon tai teollisiin järjestelmiin.

Mahdolliset sovellukset

Tämän tekniikan mahdolliset sovellukset ovat yhtä monipuolisia kuin uraauurtavia terveydenhoidosta teollisuuden kunnossapitoon.

Lääketieteelliset rajat

Mikromittakaavan akkuteknologia avaa jännittäviä mahdollisuuksia lääketieteen alalla, erityisesti kohdistetussa lääkeannostelussa. Tutkijat kuvittelevat pienten, akkukäyttöisten robottien käyttöönoton ihmiskehossa kuljettamaan ja vapauttamaan lääkkeitä tietyissä paikoissa. Tämä lähestymistapa voisi mullistaa eri sairauksien hoidot, mikä saattaa parantaa tehoa ja vähentää samalla systeemiseen lääkeantoon liittyviä sivuvaikutuksia.

Lääkkeiden toimittamisen lisäksi nämä mikrorobotit voisivat mahdollistaa uusia vähän invasiivisia diagnostiikka- ja interventioita. Niitä voidaan käyttää esimerkiksi kudosnäytteiden keräämiseen, verisuonten tukosten poistamiseen tai sisäelinten reaaliaikaiseen seurantaan. Mahdollisuus käyttää antureita ja lähettimiä tässä mittakaavassa voi myös johtaa kehittyneisiin implantoitaviin lääkinnällisiin laitteisiin jatkuvaa terveyden seurantaa varten.

Teollisuuden innovaatiot

Teollisuussektorilla tämän teknologian sovellukset ovat yhtä lupaavia. Yksi välittömimmistä mahdollisista käyttötavoista on kaasuputkien vuotojen havaitseminen. Näillä akuilla toimivat miniatyyrirobotit pystyivät navigoimaan monimutkaisten putkistojärjestelmien läpi ja tunnistamaan ja paikantamaan vuodot ennennäkemättömällä tarkkuudella ja tehokkuudella.

Tekniikka voisi löytää sovelluksia myös muissa teollisuusympäristöissä, joissa pääsy on rajoitettua tai vaarallinen ihmisille. Esimerkkejä ovat ydinvoimalaitosten rakenteiden eheyden tarkastaminen, kemiallisten prosessien seuranta suljetuissa reaktoreissa tai valmistuslaitteiden kapeiden tilojen tutkiminen huoltotarkoituksiin.

Mikro-akun sisällä

Tämän innovaation ydin on sinkki-ilma-akkurakenne. Se koostuu sinkkielektrodista, joka on yhdistetty platinaelektrodiin. Molemmat on upotettu polymeerinauhaan, joka on valmistettu mikroelektroniikassa yleisesti käytetystä materiaalista SU-8. Kun sinkki altistuu ilmassa oleville happimolekyyleille, se hapettuu vapauttaen elektroneja, jotka virtaavat platinaelektrodille, jolloin syntyy sähkövirtaa.

Tämä nerokas muotoilu mahdollistaa akun virtalähteen erilaisille mikrorobottien toiminnalle välttämättömille komponenteille. MIT-tiimi osoitti tutkimuksessaan, että akku voi antaa virtaa:

1. Toimilaite (robottikäsi, joka pystyy nostamaan ja laskemaan)
2. Memristori (sähkökomponentti, joka voi tallentaa muistoja muuttamalla sähkövastusta)
3. Kellopiiri (jolla robotit voivat seurata aikaa)
4. Kahden tyyppisiä kemiallisia antureita (toinen on valmistettu atomi ohuesta molybdeenidisulfidista ja toinen hiilinanoputkista)

Tulevaisuuden suunnat ja haasteet

Vaikka mikroakun nykyiset ominaisuudet ovat vaikuttavia, meneillään olevan tutkimuksen tavoitteena on lisätä sen jännitelähtöä, mikä voisi mahdollistaa lisäsovelluksia ja monimutkaisempia toimintoja. Tiimi työskentelee myös akun integroimiseksi suoraan robottilaitteisiin, mikä ylittää nykyisen asennuksen, jossa akku on kytketty ulkoisiin komponentteihin johdolla.

Kriittinen näkökohta lääketieteellisissä sovelluksissa on bioyhteensopivuus ja turvallisuus. Tutkijat suunnittelevat näiden laitteiden versioiden kehittämistä materiaaleista, jotka hajoavat turvallisesti kehossa, kun heidän tehtävänsä on suoritettu. Tämä lähestymistapa poistaisi noudon tarpeen ja vähentäisi pitkäaikaisten komplikaatioiden riskiä.

Toinen jännittävä suunta on näiden mikroakkujen mahdollinen integrointi monimutkaisempiin robottijärjestelmiin. Tämä voi johtaa koordinoitujen mikrorobottien parviin, jotka pystyvät käsittelemään laajempia tehtäviä tai tarjoamaan kattavampia seuranta- ja interventiovalmiuksia.

Bottom Line

MIT:n mikroskooppinen akku edustaa merkittävää harppausta autonomisen robotiikan alalla. Tarjoamalla käyttökelpoisen virtalähteen solukokoisille roboteille tämä teknologia tasoittaa tietä uraauurtaville sovelluksille lääketieteessä, teollisuudessa ja muualla. Tutkimuksen jatkaessa tämän innovaation tarkentamista ja laajentumista, seisomme nanoteknologian uuden aikakauden kynnyksellä, joka lupaa mullistaa kykymme olla vuorovaikutuksessa maailman kanssa ja manipuloida sitä mikroskooppisella tasolla.