Toroïdale microrobot zwemt autonoom

De ontwikkeling kan leiden tot veelbelovende toepassingen in vakgebieden zoals geneeskunde en milieubewaking.

Onderzoekers van de Tampere University in Finland en Anhui Jianzhu University in Hefei (475 westelijk van Shanghai) hebben een doorbraak bereikt in zachte robotica. Hun onderzoek leidde tot de eerste toroïdale, lichtgestuurde microrobot die autonoom kan bewegen in viskeuze vloeistoffen zoals slijm. De innovatie markeert een stap voorwaarts in de ontwikkeling van microrobots die door complexe omgevingen kunnen navigeren, met veelbelovende toepassingen in vakgebieden zoals geneeskunde en milieubewaking.

Natuur als inspiratie

De natuur heeft ingenieuze methoden bedacht voor micro-organismen om door hun viskeuze omgevingen te navigeren. Zo maken de beruchte E. coli-bacteriën gebruik van kurkentrekkerbewegingen, trilhaartjes bewegen in gecoördineerde golven en vertrouwen flagella op een zweepachtige slag om zichzelf voort te stuwen (flagella zijn 'staartjes' die dienen voor de voortbeweging van een eencellig organisme of een voortplantingscel). Zwemmen op microschaal is door de viskeuze krachten echter vergelijkbaar met een mens die probeert door honing te zwemmen.

Geïnspireerd door de natuur zijn wetenschappers die gespecialiseerd zijn in geavanceerde microrobottechnologieën op zoek naar een oplossing. De kern van het onderzoek van Tampere University is een synthetisch materiaal dat bekendstaat als vloeibaar kristallijn elastomeer. Dit elastomeer reageert op stimuli zoals lasers. Wanneer het wordt verhit, roteert het uit zichzelf door een speciale modus met nul-elastische energie (ZEEM), veroorzaakt door de interactie van statische en dynamische krachten.

Volgens de onderzoekers in Tampere vertegenwoordigt deze ontwikkeling niet alleen een stap voorwaarts in zachte robotica, maar baant ze ook de weg voor de ontwikkeling van microrobots die door complexe omgevingen kunnen navigeren. De implicaties van het onderzoek hebben mogelijk invloed op gebieden zoals geneeskunde en milieumonitoring. De innovatie zou bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt voor medicijntransport door fysiologisch slijm en het deblokkeren van bloedvaten na de miniaturisatie van het apparaat.

Donutvorm

Al tientallen jaren zijn wetenschappers gefascineerd door de uitdagingen van zwemmen op microschaal. Het concept werd in 1977 geïntroduceerd door natuurkundige Edward Purcell. Hij was de eerste die de toroïdale topologie– een donutvorm – bedacht. Deze heeft het potentieel om de navigatie van microscopische organismen te verbeteren in omgevingen waar viskeuze krachten dominant zijn en traagheidskrachten verwaarloosbaar zijn. Dit staat bekend als het Stokes-regime of de lage Reynolds-getallimiet. Hoewel het veelbelovend leek, was er nog geen dergelijke toroïdale zwemmer gedemonstreerd.

Een doorbraak in toroïdaal ontwerp heeft de besturing van zwemmende robots vereenvoudigd, waardoor de noodzaak voor complexe architecturen is geëlimineerd. Door een enkele lichtbundel te gebruiken om niet-reciproke beweging te activeren, maken deze robots gebruik van ZEEM om hun bewegingen autonoom te bepalen. De innovatie maakt driedimensionaal vrij zwemmen in het Stokes-regime mogelijk. Ze opent nieuwe mogelijkheden voor het verkennen van besloten ruimtes, zoals microfluïdische omgevingen. Bovendien kunnen de toroïdale robots schakelen tussen rollende en zelfvoortstuwende modi om zich aan te passen aan hun omgeving.

Toekomstig onderzoek zal de interacties en collectieve dynamiek van meerdere tori onderzoeken, wat mogelijk zal leiden tot nieuwe methoden van communicatie tussen deze intelligente microrobots.

Lichtgestuurde zachte robotica

Een publicatie in Nature Materials bespreekt de bevindingen van twee grote onderzoeksprojecten. Het eerste project, Storm-Bots, heeft als doel een nieuwe generatie onderzoekers op te leiden op het gebied van zachte robotica, met een specifieke focus op vloeibare kristalelastomeren. Als onderdeel van dit project is een doctoraalscriptieonderzoek gericht op de ontwikkeling van lichtgestuurde zachte robots die efficiënt kunnen bewegen in zowel lucht als water.

Het tweede project, Online, onderzoekt niet-evenwichtige zachte actuatorsystemen. Dit project streeft ernaar om zelfvoorzienende beweging te bereiken, wat nieuwe robotfuncties mogelijk maakt, zoals voortbeweging, interactie en communicatie.

De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.

Foto: Hao Zeng, Tampere University