Mikroroboter, die alle Terrains erobern

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Mikroroboter, die als „Microwalker“ bezeichnet werden, können sowohl schwimmen als auch gehen, wodurch sie herausfordernde biologische Umgebungen durchqueren können.

Ungebundene Mikroroboter haben ein großes Potenzial, da sie unter anderem in Bereichen wie Präzisionsmedizin, Bildgebung, Antibiotika-Alternativen sowie Umweltüberwachung und -reinigung eine wichtige Rolle spielen könnten. Während vielversprechende aktuelle Beispiele sich nur in Flüssigkeiten bewegen, was die Umgebungen, in denen sie angewendet werden können, einschränkt.

„Die Verbesserung der Struktur und des Bewegungsmechanismus von Mikrorobotern ist ein wichtiger Weg, um ihre Arbeitseffizienz zu verbessern“, sagte Dong Sun, Professor am Department of Biomedical Engineering der City University of Hong Kong.

„Mikroroboter, die Oberflächenbewegungen ausführen können, können nicht nur schwimmen, sondern auch laufen, was ihre Anpassungsfähigkeit an die Umwelt erheblich verbessert“, fuhr er fort. „Einige Mikroschwimmer kommen und gehen frei in Umgebungen wie Blut und Gewebeflüssigkeiten, sind aber in Umgebungen ohne Eintauchen in Flüssigkeiten hilflos. Unser entworfener Microwalker kann sich auf nassen Gewebeoberflächen immer noch wie gewohnt bewegen.“

Im eine neue Studie veröffentlicht in Fortschrittliche intelligente Systeme, Sun entwickelte zusammen mit den Labormitgliedern Yuanjun Jia und Pan Liao einen magnetisch angetriebenen Microwalker, der aus zwei starren Segmenten gleicher Länge besteht, die durch ein Gelenk verbunden sind. „Die starren Segmente und das Gelenk erhöhen die strukturelle Stabilität, um einen Zusammenbruch zu vermeiden“, sagte Sun.

Parallele, Gecko-Setae-ähnliche Tentakel wurden dann an der Unterseite der Segmente als Kontaktfüße platziert, um Reibung mit der Kontaktfläche zu erzeugen. Die Füße haben in verschiedenen Richtungen unterschiedliche Reibung, genau wie eine Säge, die sich leicht in eine Richtung ziehen lässt, aber in eine andere einen Widerstand hat.

„Die bionische Technologie bietet eine gute Lösung, um einen Mikroläufer mit Oberflächenbewegungsfähigkeit zu entwickeln“, sagte Sun. „Die Anwendung der gerichteten Reibung in den Materialwissenschaften und im Maschinenbau ist zu einem neuen Forschungsthema geworden. Der Gecko nutzt die gerichtete Reibung seiner Borsten, um eine Adsorption an einer Wand zu erreichen, was das strukturelle Design unseres Microwalkers inspirierte.“

Der Microwalker wurde mithilfe von 3D-Laserlithographie aus biokompatiblen Materialien hergestellt. Anschließend werden sie mit Nickel und Titan beschichtet. „Nickel ist für die magnetische Betätigung und Titan für die Biokompatibilität“, erklärte Sun. „Es wurde berichtet, dass die Abscheidung von Nickel mit einer Reinheit von 99,99 % eine gute ferromagnetische Leistung verleiht.

„Der Microwalker wird von einem externen oszillierenden Magnetfeld angetrieben und seine Bewegungsgeschwindigkeit wird durch die Amplitude und Frequenz der Magnetfeldoszillation beeinflusst“, fuhr er fort. „Unter Ausnutzung der Reibungsanisotropie der bionischen Kontaktfüße bewegen sich die beiden Segmente des Microwalkers abwechselnd unter dem oszillierenden Magnetfeld fort. Die Bewegungsrichtung des Microwalkers kann gesteuert werden, indem die Gleichgewichtsrichtung des oszillierenden Magnetfelds gesteuert wird.“

Es wurden Experimente durchgeführt, um die Leistung des Microwalkers zu testen. Unter ihnen wurde die Bewegung auf der Oberfläche eines Zellfragments demonstriert, und das Klettern auf einem Abhang lieferte eine Proof-of-Concept-Demonstration für die Fähigkeiten des Microwalkers in nicht flüssigen Umgebungen.

„Obwohl auf dem Weg zur klinischen Anwendung noch viele Hürden zu nehmen sind, wie z. B. Arzneimittelabgabe, Mikrochirurgie, Entfernung von Blutgerinnseln, Zellmanipulation und in vivo Wir werden weiterhin an Materialien, Strukturen und Steuerung forschen“, erklärte Sun. „Wir werden weiter hart arbeiten und freuen uns auf den Tag, an dem Mikroroboter Lösungen für das Gesundheitswesen bieten werden.“

Referenz: Yuanjun Jia, Pan Liao, Yong Wang und Dong Sun, Magnetgetriebener Microwalker in Oberflächenbewegung basierend auf Reibungsanisotropie, Fortgeschrittene Intelligente Systeme (2022). DOI: 10.1002/aisy.202200118