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声学驱动的微型机器人胜过自然的微型游泳者林育群

林育群    
2022年08月31日

声学驱动的微型机器人胜过自然的微型游泳者

斯图加特马克斯·普朗克智能系统研究所的研究人员设计并制造了一种不受束缚的微型机器人,当暴露于超声波时,该机器人可以在液体中的平面或弯曲表面上滑动。它的推进力比细菌或藻类等自然微生物的推进力强两到三个数量级。此外,它可以在游泳时运输货物因此,声学推进机器人具有巨大的潜力,可以改变患者的未来微创治疗。

斯图加特-斯图加特马克斯·普朗克智能系统研究所的研究人员研发了直径为25微米的子弹形合成微型机器人,该机器人以声学方式向前推进,这是真正意义上的超速子弹字。小于人类头发直径的直径,这种被驱动的微型机器人从未达到过这种速度。它的智能设计非常高效,甚至胜过天然微生物的游泳能力。

科学家设计了3D打印的聚合物微型机器人,该机器人具有一个球形腔和一个朝向底部的小管状喷嘴。空腔被诸如水之类的液体包围,捕获了球形气泡。一旦机器人暴露于约330 kHz的声波中,气泡就会产生脉动,将管内的液体推向微型机器人的后端。

然后,液体的运动相当快地以每秒90体长的速度大力推动子弹向前。该推力比藻类或细菌等天然微生物的推力强2-3个数量级。两者都是自然界中最高效的微游泳器,通过进化得到了优化。

部署超声波来驱动微型机器人并不是一种新方法。然而,先前的具有游泳能力的机器人已被证明相对较慢,难以控制近表面,并且具有仅几分钟的相对较短的操作时间。所有这些因素都阻碍了它们在医疗应用中用于靶向药物输送,排毒或非侵入性手术。

MPI-IS物理情报部的科学家Amirreza Aghakhani博士,Oncay Yasa,Paul Wrede以及该部主任Metin Sitti博士能够在提高操作性能的同时微调机器人的转向能力时间要几个小时。他们的出版物“声学驱动的表面滑动移动微型机器人”已于2020年2月在美国国家科学院院刊上发表。

图2.超声驱动下的表面滑动微型机器人的示意图;基板上移动的微型机器人在330 kHz声激发下的延时图像。图片来源:马克斯·普朗克智能系统研究所斯图加特

除了将机器人设计为具有一个内腔以捕获带有小开口的球形气泡之外,他们还向微型机器人的圆柱体表面添加了一个小鳍片,这会偏向推进方向。他们还用软磁性纳米膜层覆盖了聚合物子弹的顶部。然后,借助周围的外部磁场,他们能够改变子弹方向的左右或上下。

在几个实验中,研究人员测试了他们的机器人在类似于血管的微通道内不同表面上移动的能力。他们将机器人暴露于声波和磁场中,并成功地在有限的3-D空间中导航。他们还表明,微型机器人移动时会自动发生货物捕获。

当液体在暴露于超声波时被从机器人腔中推出时,会向底部产生一个圆形的微流模式。该电流确保了周围的药物颗粒被引导向机器人。在那里,随着机器人的移动,颗粒被聚集并被运走。有了这个

物理情报部的博士后研究员,该出版物的共同主要作者Amirreza Aghakhani博士总结了微型机器人的特殊功能:“我们可以非常高效地致动我们的微型机器人,而且它们的速度也非常快。超声波无害。可以穿透人体并深入人体内部。我们可以有控制地在平面和曲面上移动这些机器人,并可以装上不同的货物,例如毒品。这令人印象深刻。”

另一个好处是超声成像。在机器人内部,当机器人只有几微米大小时,成像非常具有挑战性。Aghakhani博士补充说:“但是,被困的气泡可以充当造影剂,使机器人及其位置更加明显。”

Metin Sitti博士总结道:“我们的愿景是在不久的将来在人体内部部署这种声波驱动和磁控微型机器人,以用于各种无创医疗应用。”

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