04/12/2024
Door Ad Spijkers
Onderzoekers van Cornell University hebben de kleinste lopende robot tot nu toe gemaakt.
Hun missie is om deze klein genoeg te maken om te interacteren met golven van zichtbaar licht en toch onafhankelijk te bewegen. Hierdoor kan hij naar specifieke locaties kan manoeuvreren – bijvoorbeeld in een weefselmonster – om beelden te maken en krachten te meten op de schaal van enkele van de kleinste structuren van het lichaam.
Microrobots
De lopende robot is klein genoeg om effectief te interacteren met licht en daar vorm aan te geven. Hij gebruikt de lens van een microscoop en plaatst deze direct in de microwereld. Hij kan close-upbeelden maken op manieren die een gewone microscoop nooit zou kunnen.
Wetenschappers van Cornell University in Ithaca (350 km noordwest van New York City) hebben al het wereldrecord voor de kleinste lopende robot ter wereld op hun naam staan met 40-70 µm. De nieuwe diffractieve robots zijn nog kleiner. Deze zijn 5 µm tot 2 µm. De onderzoekers kunnen ze laten doen wat ze willen door de magnetische velden te regelen die hun bewegingen aansturen.
Aansturing
Diffractieve robotica verbindt autonome robots met beeldvormingstechnieken die afhankelijk zijn van diffractie van zichtbaar licht. Ze buigen een lichtgolf wanneer deze door een opening of om iets heen gaat. De beeldvormingstechniek vereist een opening van een grootte die vergelijkbaar is met de golflengte van het licht. Om de optica te laten werken, moeten de robots op die schaal zijn. En om de robots doelen te laten bereiken om af te beelden, moeten ze zelfstandig kunnen bewegen. Het Cornell-team heeft beide doelen bereikt.
De robots worden aangestuurd door magneten die een knijpbeweging maken en kunnen zich centimeter voor centimeter voortbewegen op een vast oppervlak. Ze kunnen ook door vloeistoffen 'zwemmen' met dezelfde beweging. De combinatie van wendbaarheid, flexibiliteit en subdiffractieve optische technologie creëert een aanzienlijke vooruitgang op het gebied van robotica, aldus de onderzoekers.
De miniaturisering van robotica heeft nu een punt bereikt waarop deze mechanische systemen kunnen interacteren met en actief licht kunnen vormen. Dit gebeurt op de schaal van slechts een paar golflengtes - een miljoen keer kleiner dan een meter.
Magneten op nanoschaal
Om robots op deze schaal magnetisch aan te drijven, voorzag het team de bots van honderden magneten op nanometerschaal. Deze hebben een gelijk volume aan materiaal, maar twee verschillende vormen - lang en dun, of kort en stomp. Het idee is afkomstig van natuurkundigen aan Fudan University in Shanghai.
De lange dunne magneten hebben een groter magnetisch veld nodig om ze van de ene kant naar de andere kant te laten wijzen. De korte stompe magneten hebben een kleiner veld nodig. Dat betekent dat de onderzoekers een groot magnetisch veld kunnen toepassen om ze allemaal op één lijn te krijgen. Maar als ze een kleiner magnetisch veld toepassen, draaien ze alleen de korte stompe magneten om. De wetenschappers aan Cornell combineerden dit principe met zeer dunne films om de robots te creëren.
Uitdagingen
Een van de grootste uitdagingen op het gebied van optische techniek was het vinden van de meest geschikte aanpak voor drie taken voor dit specifieke platform: licht afstemmen, scherpstellen en superresolutie-imaging. Verschillende aanpakken resulteren in verschillende prestaties- afhankelijk van hoe de microrobot kan bewegen en van vorm kan veranderen.
Er is een voordeel aan het mechanisch kunnen verplaatsen van de diffracterende elementen om de beeldvorming te verbeteren. De robot zelf kan worden gebruikt als een diffractiegradatie, of er kan een diffractieve lens worden toegevoegd. Op deze manier kunnen de robots fungeren als een lokale uitbreiding van de microscooplens die van bovenaf naar beneden kijkt.
Vooruitblik
De robots meten krachten door dezelfde magneetgestuurde knijpbeweging te gebruiken waarmee ze kunnen lopen om tegen structuren te duwen. Het zijn meegevende veren: als er iets tegenaan duwt, kan de robot knijpen. Dat verandert het diffractiepatroon en dat is goed te meten. Krachtmeting en optische vaardigheden kunnen worden toegepast in fundamenteel onderzoek, zoals bij het verkennen van de structuur van DNA. Ze kunnen ook worden ingezet in een klinische omgeving.
Kijkend naar de toekomst kijk, stellen de onderzoekers zich zwermen diffractieve microbots voor die microscopie met superresolutie en andere sensortaken uitvoeren terwijl ze over het oppervlak van een monster lopen. Ze verwachten nog maar aan het begin te staan van wat mogelijk is met deze technologie die robotische en optische techniek op microschaal combineert.
De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.
Foto: Jason Koski/Cornell University