Zachte microrobots met supercompatibele picoforce-veren als ingebouwde sensoren en actuatoren

De integratie van mechanisch geheugen in de vorm van veren is al honderden jaren een sleuteltechnologie gebleken voor mechanische apparaten (zoals klokken), waarbij geavanceerde functionaliteit wordt bereikt door middel van complexe autonome bewegingen. Momenteel heeft de integratie van veren in op silicium gebaseerde microtechnologie de wereld geopend van vlakke, in massa produceerbare mechatronische apparaten waarvan we allemaal profiteren, bijvoorbeeld via airbagsensoren.

Voor een nieuwe generatie van minimaal en zelfs niet-invasieve biomedische toepassingen moeten mobiele apparaten die veilig mechanisch kunnen interageren met cellen worden gerealiseerd op veel kleinere schaal (10 micron) en met veel zachtere krachten (pico Newton-schaal, dat wil zeggen minder gewicht tillen). dan een miljoenste van een mg) en in aangepaste driedimensionale vormen.

Onderzoekers van de Chemnitz University of Technology, het Shenzhen Institute of Advanced Technology van de Chinese Academie van Wetenschappen en het Leibniz IFW Dresden, in een recente publicatie in Natuur Nanotechnologiehebben aangetoond dat regelbare veren kunnen worden geïntegreerd op willekeurig gekozen locaties in zachte driedimensionale structuren met behulp van confocale fotolithografische productie (met precisie op nanoschaal) van een nieuw magnetisch actief materiaal in de vorm van een fotoresist geïmpregneerd met aanpasbare dichtheden van magnetische nanodeeltjes.

Deze “picoveren” hebben een opmerkelijk grote en instelbare flexibiliteit en kunnen op afstand worden bestuurd via magnetische velden (zelfs diep in het menselijk lichaam), waardoor gelede bewegingen in microrobots mogelijk zijn, evenals micromanipulaties die veel verder gaan dan de stand van de techniek.

Bovendien kan de verlenging van de picoveren ook visueel worden gebruikt om krachten te meten, bijvoorbeeld voortstuwings- of grijpkrachten, in interactie met andere objecten zoals cellen. Deze picoveren zijn bijvoorbeeld gebruikt om de voortstuwingskracht van spermacellen te meten.

De publicatie demonstreert deze mogelijkheden door op meerdere locaties verschillende microbots (waaronder een micropinguïn) met picosprings te demonstreren die deze taken op cellulaire schaal kunnen uitvoeren: zichzelf voortbewegen, cellen grijpen en loslaten en de minieme krachten meten die nodig zijn om dit veilig te doen.

Dr. Haifeng Yu, eerste auteur van de studie en groepsleider aan de Chinese Academie van Wetenschappen in Shenzhen (China), zegt: “Programmeerbare elasticiteit op micrometerschaal biedt een haalbare strategie voor het produceren van 3D-apparaten en fijn gestructureerde ‘microchirurgen’ die complexe medische taken kunnen uitvoeren.”

Dr. Mariana Medina-Sanchez, groepsleider bij de Leibniz IFW en BCUBE-TU Dresden, co-auteur en co-promotor van dit werk, voegt hieraan toe: “Deze op picosprings gebaseerde micromachines met programmeerbare elasticiteit en magnetisme, vervaardigd door middel van monolithische fabricage, openen talloze mogelijkheden voor gelokaliseerde krachtdetectie en -actuatie in omgevingen met een laag Reynoldsgetal. Deze veelzijdigheid onderstreept hun betekenis in een spectrum van biomedische toepassingen.”

Prof. Oliver Schmidt, de laatste auteur van het artikel en supervisie over dit werk, ziet dit als een nieuwe belangrijke stap in de transitie naar levensklare zachte en slimme modulaire microrobotica. “Op afstand bestuurbare microapparaten die gebruik maken van magnetische velden vormen een bijzonder veelbelovende technologie voor niet-invasieve medische toepassingen – en dit breidt zich nu uit naar mechanische mechanismen in deze op afstand gelegen microapparaten.” zegt Schmidt.

“De mogelijkheid om designerveren te integreren zal ook een nieuw hulpmiddel toevoegen aan het groeiende vermogen van de TU Chemnitz op het gebied van micro-elektronische morfogenese en kunstmatig leven.” voegt prof. John McCaskill toe, co-auteur van de studie, lid van het onderzoekscentrum MAIN en oprichter en directeur van het European Centre for Living Technology.