Millimetergrote robots bestuurd met magnetische velden

Wetenschappers aan de Nanyang Technological University in Singapore (NTU Singapore) hebben millimetergrote robots ontwikkeld die bestuurd worden met magnetische velden. Deze robots zijn in staat om zeer wendbare en behendige manipulaties uit te voeren en kunnen een grote impact hebben in gebieden zoals biomedische toepassingen en productie.

Het onderzoek werd gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Advanced Materials in mei.

Voortbouwen op bestaande kleine robots

De miniature robots werden gemaakt door magnetische micropartikels in biocompatibele polymeren te embedden, die niet-toxische materialen voor mensen zijn. De robots zijn geprogrammeerd om, wanneer magnetische velden worden toegepast, hun gewenste functionaliteiten uit te voeren.

De nieuwe technologie bouwt voort op eerdere kleine robots, en de nieuwe toevoegingen omvatten een geoptimaliseerde mogelijkheid om te bewegen in zes graden van vrijheid (DoF), wat overeenkomt met translerende beweging langs de drie ruimtelijke assen en rotatiebeweging om die assen, of roll-, pitch- en yaw-hoeken.

De onderzoekers hebben eerder al kleine robots met zes DoF ontwikkeld, maar de nieuwe versies kunnen 43 keer sneller roteren in de kritieke zesde DoF, mits hun oriëntatie nauwkeurig wordt gecontroleerd.

https://www.youtube.com/watch?v=jLu7q7ieQek&t=21s

Vanwege het gebruik van ‘zachte’ materialen in hun constructie, kunnen de robots mechanische eigenschappen repliceren. Zo kan een robot zwemmen, terwijl een andere kan grijpen, oppakken en plaatsen van miniature objecten met precisie.

Assistant Professor Lum Guo Zhan van de School of Medicine en Aerospace Engineering is de hoofdauteur van de studie.

Volgens Professor Lum hangt de belangrijkste vooruitgang zwaar af van de ontdekking van de ‘elusieve’ derde en laatste hoofdvector van de magnetische velden. Voorheen werden de toegepaste magnetische velden alleen gedefinieerd in termen van twee hoofdvectoren.

“Mijn team zocht naar de fundamentele werkingsprincipes van miniature robots die zes-DoF-bewegingen hebben via dit werk. Door de fysica van deze miniature robots volledig te begrijpen, kunnen we hun bewegingen nu nauwkeurig controleren. Bovendien kan onze voorgestelde fabricagemethode deze robots magnetiseren om 51 tot 297 keer grotere zes-DoF-koppel te produceren dan andere bestaande apparaten. Onze bevindingen zijn dus cruciaal en vertegenwoordigen een significante vooruitgang voor kleine robottechnologieën,” zei Asst. Prof Lum.

De miniature robots meten ongeveer de grootte van een korrel rijst, dus ze zijn nuttig wanneer je probeert te komen in beperkte en gesloten ruimtes die grote robots beperken. Dit betekent dat de nieuwe ontwikkeling vooral nuttig is in de geneeskunde.

De robots kunnen op afstand worden bestuurd door een operator en een programma dat op een besturingssysteem draait. Het programma verandert de sterkte en richting van de magnetische velden die door een elektromagnetisch spoelsysteem worden gegenereerd.

In de geneeskunde kunnen de miniature robots bepaalde vitale organen zoals de hersenen bereiken, maar er zal veel meer testen en bijstellen nodig zijn voordat ze op deze manier kunnen worden toegepast.

De co-auteurs van het onderzoek zijn PhD-studenten Xu Changyu en Yang Zilin van de School of Mechanical and Aerospace Engineering.

“Naast chirurgie kunnen onze robots ook waardevol zijn in biomedische toepassingen zoals het assembleren van lab-on-chip-apparaten die kunnen worden gebruikt voor klinische diagnostiek door meerdere laboratoriumprocessen op een enkele chip te integreren,” zeiden ze.

Testen van de robots

Het onderzoeksteam testte de robots in laboratoriumexperimenten en demonstreerde hun behendigheid en snelheid.

Met een jellyfish-geïnspireerde robot controleerde het team deze om door een smalle opening te zwemmen toen deze in water werd gesuspendeerd. Dit experiment toonde aan hoe de robots barrières in dynamische en onzekere omgevingen kunnen omzeilen, wat betekent dat ze in de toekomst kunnen worden gebruikt voor gerichte biomedische toepassingen zoals chirurgische procedures.

De miniature robot overschreed ook de snelste rotatie van alle bestaande miniature robots.

Het onderzoeksteam zal nu proberen de robots nog kleiner te maken, tot een paar honderd micrometer. Ze willen ze uiteindelijk ook volledig autonoom maken.