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灵活的微型机器人,几乎可以承受任何变形

灵活的微型机器人,几乎可以承受任何变形
研究人员开发的最小的自走式电子微型机器人在1美分硬币上方以液体操纵。

由开姆尼茨工业大学(Chemnitz)和Leibniz IFW德累斯顿工作的Oliver Schmidt博士领导的国际研究团队最近开发了一种微轨道系统,具有广泛的应用范围,从完成微手术到向人类运送货物。在《自然电子》上发表的一篇论文中提出,该机器人基于将近十年前同一研究人员团队提出的想法。

Schmidt博士表示:“我们首先开始探索创建微型微型机器人系统的想法,该系统由强大的喷气发动机自行驱动,并在船上装有微电子组件。我们最初的想法是建立一个可以与单个生物细胞相互作用的智能自推进微系统,该单个生物细胞的大小与微系统本身相似。该系统应该能够四处移动,感知环境,运输货物,运送药物并携带进行显微手术。”

自从Schmidt和他的同事们首次提出微机器人系统的概念以来,他们的团队和全球其他几家公司就尝试创建类似的技术,主要是在体外(即使用培养皿)。然而,事实证明,在人体内部实施此类系统更具挑战性。实际上,为了完成体内的任务,需要从外部控制系统,并且系统收集的信息(例如诊断数据)应易于传达到外部世界(例如,医生或医疗保健专业人员)。

Schmidt解释说:“要使微型机器人系统在人体中发挥作用,它应包含电能,传感器,致动器,天线和微电子电路。我们最近的工作的主要目标是朝着这个最终的(并且无疑是雄心勃勃的)最终目标迈出一大步;当然,还是以简化的方式。”

Schmidt和他的同事们通过在芯片表面上集成微电子和纳米电子组件来制造其灵活的微系统,其方式类似于使用硅技术构建计算机芯片的方式。但是,它们的系统与常规计算机芯片之间的主要区别在于,前者的设计包括使用大约20年前率先采用的方法制造的喷气发动机,这种方法通常不用于主流微电子技术的开发中。

Schmidt说:“诀窍在于将应变极高的薄材料放在芯片上,当它们从芯片表面分层时,它们会迅速回卷成瑞士卷微管结构。” “这个程序可以很好地控制,以便使卷起的微管在微机器人系统的相对两侧牢固连接。如果这些微管内部涂有铂,一旦铂进入,催化反应就会产生氧气气泡接触含有少量过氧化氢(H 2 O 2)的水溶液。”

灵活的微型机器人,几乎可以承受任何变形
Oliver G. Schmidt博士

作为由Schmidt和他的同事们,当微型机器人系统被放置到所用的非传统的设计策略的结果水溶液含有过氧化氢(H 2 ö 2)溶液进入其两个微管,产生氧气泡。然后,这些气泡被推到微管末端的外面,通过称为射流推进的机制加速了系统。

Schmidt说:“这种喷气推进原理是我们小组在12年前提出的。但是,像我们目前的工作中那样的双喷气发动机以前从未被制造过。”

研究人员的喷气推进策略的核心催化反应可以通过改变喷气发动机的温度来控制。高温导致更多的气泡和更强的推力。低温,气泡少,推力弱。

Schmidt和他的同事通过施加流经连接到发动机的电阻性元件的电流来控制两个喷气发动机之一的温度。温度的变化增加了其中一个喷气发动机中产生的气泡的数量和随后的推力,这又使系统可以向右或向左转。

Schmidt说:“您可能会问,我们如何提供加热电阻元件的电流。为此,我们在微型系统中集成了一个微小的天线,该天线可以从外部通过无线能量馈电(类似于您的手机的无线感应充电)。因此,船上可以使用电能,这是全新的这么小的自走式微型机器人。”

Schmidt和他的同事开发的微型机器人也有一个小手臂,可以抓住并释放周围的小物体。当系统温度变化时,小臂会执行不同的动作,弯曲以抓住物体(例如微丸),或者弯曲以释放物体。他说:“这种集成的机械臂对于自推式微系统也是全新的功能。最后,微型机器人可以在板上安装一个微小的红外LED,该红外LED可以通过无线传输的能量来打开。该LED可能有助于跟踪体内的微型机器人。在移动微型机器人上打开和关闭微型LED从来没有之前显示过。”

Schmidt及其团队开发的微型机器人系统是由高度灵活的材料制成的。这意味着它可以弯曲或变形而不会断裂,因此它甚至可以穿过人体中的细毛细血管或其他小通道,并继续正常运行。将来,这个新系统可能会具有许多有价值的应用程序。例如,它可以完成需要高精度的人体内部任务,包括外科手术或诊断程序。

Schmidt说:“我们已经证明,电能可以无线传输到超小型微型机器人系统,并且该电能可以用于执行有用的任务:远程操纵微型机器人或打开和关闭红外LED。下一步将是在血液等生物流体中运行该系统。为此,发动机的构造需要略有不同。”

本文为作者 三石 独立观点,并不代表 我是CIO 立场。

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