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Wissenschaftler haben eine Methode entwickelt, um weiche Roboter im Millimetermaßstab herzustellen, indem sie Hunderte von Mikrorobotern chemisch miteinander verbinden.
Mikrorobotik hat ein enormes Potenzial, viele Bereiche zu revolutionieren, vom Gesundheitswesen bis zur Mikrofabrikation, da mikroskopisch kleine Roboter schwer zugängliche Bereiche erreichen und mit einem beispiellosen Maß an Präzision arbeiten können.
Aufgrund ihrer von Natur aus geringen Größe sind sie jedoch als Individuen nicht in der Lage, erhebliche Kräfte auszuüben oder große Mengen an Wirkstoffen abzugeben. Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass Mikroroboter für viele Anwendungen eine Vielzahl von Funktionen ausführen müssten, um eine einzelne Aufgabe zu erledigen, was einem einheitlichen Set-Design nicht förderlich ist.
Um diese beiden Probleme zu lösen, haben Forscher der Universität für Chemie und Technologie in Prag eine Methode entwickelt, um einfache Roboter im Mikrometerbereich zu organisieren und zu größeren beweglichen Strukturen zu verbinden.
In die Studium veröffentlicht in Fortschrittliche intelligente SystemeSie verwendeten scheibenförmige Mikroroboter mit einer Breite von 100 µm und einer Dicke von 25 µm, die aus einem auf Licht reagierenden Hydrogel bestehen. Das Hydrogel schrumpft reversibel als Reaktion auf Licht, wenn Wasser aus dem Netzwerk des Gels ausgetrieben wird.
Wenn das Gel schrumpft und sich ausdehnt, wechselt es zwischen einem „klebrigen“ und einem „rutschigen“ Zustand. Wenn der Laser auf eine Seite des Mikroroboters gerichtet wird, wechselt sein Verankerungspunkt auf der Oberfläche die Seiten. Dadurch können die Mikroroboter wie mikroskopisch kleine Schnecken in jede Richtung über eine Oberfläche kriechen.
Diese Mikroroboter können zusammengebracht werden, indem Einzelpersonen manuell zu vorher festgelegten Orten navigiert werden. Allerdings ist eine solche „einzelne“ Montage mühsam, zeitaufwändig und schwierig zu skalieren. Stattdessen verwendeten die Forscher einen Selbstorganisationsprozess, bei dem sich Hunderte von Mikrorobotern gleichzeitig zusammensetzen, indem sie auf den Boden einer schüsselförmigen Vertiefung gleiten.
Hier bietet die Wahl scheibenförmiger Mikroroboter einen Vorteil, da viele Scheiben, wenn sie zu großen Gruppen zusammengeschoben oder gezogen werden, ein sich wiederholendes Muster bilden, das als dichte sechseckige Packung bezeichnet wird. Bei dieser Anordnung ist jede Scheibe von sechs Nachbarn umgeben, und dieses Muster breitet sich über die gesamte Anordnung aus.
Aufgrund dieses sich wiederholenden Musters kann die Baugruppe als ein einzelnes Blatt behandelt werden. Mit dieser Methode konnten die Forscher die Mikroroboter zu geordneten, kristallinen Schichten mit einem Durchmesser von bis zu mehreren Millimetern zusammenbauen. Die Form der Vertiefung ist für die Formung der Platten nicht wichtig, was bedeutet, dass diese Methode in einer Vielzahl von Umgebungen eingesetzt werden kann.
Sobald die Roboter zu der gewünschten Struktur zusammengebaut sind, müssen sie miteinander verbunden werden, um die resultierende Struktur in ein nützliches Objekt zu verwandeln. Dabei machten sich die Forscher eine einzigartige Eigenschaft von Hydrogelen zunutze. Es wird beschrieben, dass Hydrogele sowohl feststoffähnliche als auch flüssigkeitsähnliche Eigenschaften haben. Die festen Eigenschaften sind leicht zu erkennen – sie behalten ihre Form und verhalten sich mechanisch wie elastische Materialien, beispielsweise Gummi. Was ihnen flüssige Eigenschaften verleiht, ist ihre hydratisierte, poröse Struktur, was bedeutet, dass ausreichend kleine Moleküle durch sie diffundieren können und ihr Innenvolumen dennoch zugänglich ist.
Diese Eigenschaft wird ausgenutzt, um die Verbindung benachbarter Mikroroboter zu ermöglichen, indem zusätzliche Vernetzungsmoleküle durch die gesamte Anordnung, auch innerhalb der Individuen, diffundieren können. Anschließend löst die Beleuchtung mit UV-Licht eine Vernetzungsreaktion aus und bildet molekulare Brücken zwischen den Mikrorobotern, die sie dauerhaft binden.
Durch die Untersuchung der Bedingungen dieser Reaktion konnten die Forscher Gradienten entlang der Dicke der Mikroroboterscheiben bilden, wodurch diese sich zu Kuppelformen verbogen. Form und Intensität der UV-Beleuchtung können dann geändert werden, um die individuelle Biegung der Mikroroboter in verschiedene 3D-Formen wie Rollen, Kuppeln, Röhren und Greifer umzuwandeln.
Da diese größeren Strukturen aus fotoempfindlichen Mikrorobotern bestehen, können sie mit demselben Laser betätigt werden, der für die Fortbewegung der Mikroroboter verwendet wird. Die Betätigungsrohre können zum Pumpen von Flüssigkeiten verwendet werden, und die großen Rollen werden gezeigt, wie sie einen festen Gegenstand schieben, der von einzelnen Mikrorobotern nicht manipuliert werden könnte.
„Mikroroboter, die sich unterwegs in verschiedene Designs umwandeln können, wären von großem Vorteil“, sagte Gruppenleiter Ivan Rehor. „Zum Beispiel könnte eine Ansammlung von Robotern einzeln durch kleine Lücken gehen, bevor sie sich zu einer Pumpvorrichtung zusammenfügen.
„Unsere laufende Forschung sucht nach Strategien, um eine reversible Bindung der Mikroroboter zu ermöglichen und gleichzeitig die 3D-Formveränderung beizubehalten. Mit Reversibilität könnten Mikroroboter eine Funktion ausführen, zerlegen und für nachfolgende Funktionen verwendet werden.“
Referenz: Ivan Rehor, et al., Selbstorganisierte Hydrogel-Mikroroboter zu geordneten Strukturen mit programmierbarer BetätigungFortgeschrittene Intelligente Systeme (2023). DOI: 10.1002/aisy.202300096
Haftungsausschluss: Der Autor dieses Artikels war an der Studie beteiligt
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