Tutkijat kehittivät mikrorobottiylimpiöitä, jotka liikkuvat halutussa muodossa

Useiden instituutioiden, mukaan lukien Max Planck -instituutin älykkäistä järjestelmistä (MPI-IS), Cornellin yliopiston ja Shanghain Jiao Tong -yliopiston tutkijaryhmä on kehittänyt mikrorobottiylimpiöitä, jotka voivat liikkua minkä tahansa halutun muodon mukaisesti.

Tutkimuksen johtivat Gaurav Gardi ja prof. Metin Sitti MPI-IS:stä, Steven Ceron ja prof. Kirstin Peterson Cornellista ja prof. Wendong Wang Shanghain Jiao Tong -yliopistosta.

Tutkimus, joka on nimeltään ”Mikrorobottiylimpiöt uudelleenmukautuvilla morfologioilla, käyttäytymisellä ja toiminnalla”, on julkaistu Nature Communications -julkaisussa.

Pienoismikrojen uudelleenmukauttaminen

Pienoismikrot voivat uudelleenmukauttaa parven käyttäytymisen hyvin nopeasti. Kun ne leijuvat veden pinnalla, mikrorobottiset levyt voivat liikkua ympyrässä, tanssia, levitä kuin kaasu, kerääntyä yhteen tai muodostaa suoran linjan.

Jokainen yksittäinen robotti on hieman suurempi kuin ihmisen hiuksen leveys, ja ne on valmistettu 3D-tulostamalla polymerista ennen kuin ne on pinnoitettu ohueksi koboltti kerrokseksi. Metalli antaa mikroroboteille mahdollisuuden tulla pieniksi magneetteiksi, kun taas johtimien muodostama magneettikenttä mahdollistaa partikkeleiden tarkkaan liikuttamisen yhden senttimetrin levyisessä vesisäiliössä.

Vaikuttava esimerkki tästä on, kun robotit muodostavat rivin, jonka tutkijat voivat sitten liikuttaa “kirjoittaakseen” kirjaimia veteen.

Parviparven kehitys on vaikuttunut luonnon parviparvien ja -käyttäytymisen kaltaisista ilmiöistä, kuten linnunparvista. Robottien parvikäyttäytymisen soveltaminen on lisääntynyt suuresti viime aikoina.

Kuitenkin, kun yksittäinen partikkeli on liian pieni laskentaan tai robotti on vain 300 mikrometrin levyinen, sitä ei voida ohjelmoida algoritmilla. Tästä syystä tutkijoiden on turvauduttava kolmeen eri voimaan. Ensimmäinen on magneettinen voima, joka ilmenee, kun kaksi vastakkaisia magneettisia navoja houkuttelevat toisiaan tai kaksi samanlaista navoa torjuvat toisiaan.

Toinen voima on nestemäinen ympäristö eli vesi levyjen ympärillä. Tämä voidaan havaita, kun partikkelit uivat veden pyörteessä, jolloin vesi siirtyy ja muuttaa muiden partikkeleiden sijaintia. Pyörteen nopeus ja magneettisuus määräävät, miten partikkelit vuorovaikuttavat.

Kolmas voima liittyy kahteen partikkeliin, jotka leijuvat toistensa vieressä, mikä usein johtaa siihen, että ne ajautuvat toisiaan kohti. Veden pinta on taipunut tavalla, joka saa ne tulemaan yhteen.

Robottien ohjaus

Tutkijat käyttivät kaikkia näitä voimia luodakseen yhtenäisen ja koordinoituneen liikemallin kymmenille mikroroboteille yhtenä järjestelmänä. Tutkijat voivat ohjata roboteja esteiden yli näyttäen muodon, joka sopii parhaiten tiettyyn esteeseen. Esimerkiksi mikrorobotit muodostavat yksittäisen rivin päästäkseen kapean kanavan läpi.

Robotit voivat saavuttaa useita eri liikuntamuotoja ja muotoja, mikä saavutetaan ulkoisella laskennalla. Algoritmi on ohjelmoitu luomaan magneettikenttä, joko pyörivä tai värähtelevä, ja tämä laukaisee robotien halutun liikkeen.

Gaurav Gardi on väitöskirjatutkija MPI-IS:n fysiikan osastolla. Hän on yksi tutkimuksen johtajista Steven Ceronin kanssa.

“Riippuen siitä, miten muutamme magneettikenttiä, levyt käyttäytyvät eri tavoin”, Gaurav Gardi sanoo. ”Olemme säätämässä yhtä voimaa ja sitten toista, kunnes saamme liikkeen, jonka haluamme. Jos pyöritämme magneettikenttää johtimissa liian voimakkaasti, voima, joka aiheuttaa veden liikkeen, on liian voimakas ja levyt liikkuvat toisistaan poispäin. Jos pyöritämme liian hitaasti, cheerio-vaikutus, joka houkuttelee partikkeleita, on liian voimakas. Meidän on löydettävä tasapaino kolmen voiman välillä.”

Alalla työskentelevät tutkijat pyrkivät myös tekemään näistä mikrorobottiylimpiöistä vielä pienempiä.

”Visiomme on kehittää järjestelmä, joka on vielä pienempi ja koostuu vain yhden mikrometrin kokoisista partikkeleista. Nämä ylimpiöt voivat mahdollisesti mennä ihmisen kehoon ja navigoida monimutkaisissa ympäristöissä toimittamaan lääkkeitä, esimerkiksi tukkimaan tai avamaan tukkeutuneita reittejä tai stimuloida vaikeasti saavutettavia alueita”, Gardi sanoo.

Metin Sitti johtaa fysiikan osastoa.

“Robottiylimpiöt, joilla on luotettavat siirtymät liikuntakäyttäytymisen välillä, ovat hyvin harvinaisia. Monikäyttöiset järjestelmät ovat kuitenkin edullisia toimia monimutkaisissa ympäristöissä. Olemme erittäin iloisia siitä, että onnistuimme kehittämään sellaisen luotettavan ja tarpeen mukaan uudelleenmukautuvan ylimpiön. Me näemme tutkimuksemme pohjana tuleville biolääketieteellisille sovelluksille, vähäisesti invasiivisille hoidoille tai ympäristön puhdistamiselle”, Metin Sitti sanoo.