Mikrobotar kan ha flera användbara applikationer, särskilt inom biomedicin och hälsovård. Till exempel, på grund av deras ringa storlek, dessa små maskiner kan sättas in i människokroppen, tillåter läkare att på distans genomföra undersökningar eller driva regioner som drabbats av sjukdomar.

Utveckla metoder som möjliggör effektiv förflyttning av mikrorobotar i medicinska sammanhang, dock, är en utmanande uppgift på grund av mönster i vätskeflödet inuti människokroppen. För att övervinna denna utmaning, tidigare studier har föreslagit användningen av hjulformade maskiner som kan rulla på ytor, eftersom deras struktur möjliggör förbättrad framdrivning och snabbare översättningshastigheter.

Trots deras löfte, forskningsrön tyder på att dessa robotar inte rör sig bra på plana ytor och ofta glider. I en intressant ny studie som presenteras i Vetenskapsrobotik , ett team av forskare vid Colorado School of Mines och University of Colorado Denver har föreslagit ett nytt tillvägagångssätt som kan bidra till att förbättra mikrorobotarnas förflyttning på våta ytor.

"På grund av grundläggande begränsningar i vätskedynamik i små skalor, det är svårt för små maskiner att simma, en begränsning vi har försökt övervinna genom att utveckla metoder baserade på hjul och körning på tillgängliga underlag, "Professor David Marr, en av forskarna som genomförde studien, berättade TechXplore. "Dessa metoder är relativt effektiva, [men] eftersom ytorna i kroppen är våta, våra hjul tenderar att glida och färdas med cirka 10 procent av deras teoretiska maximala. Tanken med detta arbete var att utveckla ett tillvägagångssätt som förhindrar glidning med hjul som passar som kugghjul på resans yta, i praktiken tar bort slip och leder till betydligt snabbare översättning."

Prof. Marr och hans kollegor hämtade inspiration från matematiken bakom vägar och hjul, tillämpa dessa beräkningar på små hjulformade robotar. De fann att specifika förändringar av topografin (dvs fysiska egenskaper) för "mikrovägen" där roboten arbetar gör att mikrohjulen kan nå mycket högre hastigheter.

Forskarna observerade att periodiska stötar på mikrovägen som robotarna färdas kan förbättra dragkraften mellan de små hjulen och närliggande väggar. På våta plana ytor, hjulen tenderar att glida. Därför, stötigare vägar resulterar i ett rörelsemönster som består av rotationer med slip och halkfria flip. Detta förbättrar hjulens översättningshastighet avsevärt, med robotarna som rör sig upp till fyra gånger snabbare än de skulle på plana ytor.

"Hjul av specifik form och storlek passar perfekt till vägar med en viss designad form, "Professor Marr förklarade." Medan ett runt hjul och en platt väg matchar, icke-runda hjul matchar ytor med specifika gupp på vägen. Ett slutligt mål är att utveckla hjul som bättre matchar ytor in vivo, leder till snabbare behandlingar vid sjukdomar där behandling måste ges snabbt, till exempel."

Att sätta fyrkantiga hjul på en bil kan verka som ett kontraintuitivt och ineffektivt sätt att förbättra dess rörelse. Dock, som prof. Marr förklarar, det är ofta svårt att belägga ytorna som mikrobotarna fungerar på, därav, i dessa fall, en icke-cirkulär hjuldesign kan faktiskt vara fördelaktigt.

"Vårt arbete avslöjade den viktiga hydrodynamiska interaktionen mellan mikrohjul och icke-slät yta, medan det mesta inom litteraturen främst har fokuserat på framdrivning av mikrorobotar på plana ytor, " Professor Ning Wu, en annan forskare involverad i studien, berättade TechXplore. "En tillämpning av våra resultat kommer att vara separation av mikroskopiskt objekt baserat på symmetri snarare än storlek."

Fynden som samlats in av Marr, Wu och deras kollegor kan ha flera praktiska konsekvenser. Till exempel, forskarna observerade att fyrkantiga och diamantformade mikrohjul rullar med liknande hastigheter på en plan yta men med mycket olika på en gropig väg.

Denna enkla observation skulle kunna informera den strategiska utformningen av ytor på vilka mikrobotar kommer att verka, i slutändan förbättra deras rörelse baserat på formen på deras hjul. Att uppnå snabbare rotation av dessa små maskiner på ojämna ytor kan också förenkla deras manipulation medan de färdas i specifika områden av människokroppen, såsom delvis blockerade kärlnätverk.

Den senaste tidningen av Marr, Wu och deras kollegor erbjuder ny insikt som kan styra utvecklingen av effektivare mikrobotar för biomedicinska ändamål. I deras framtida arbete, forskarna planerar att utforska ytterligare två forskningsriktningar som skulle kunna ge ytterligare värdefulla observationer.

"Först, vi kommer att använda de topografiskt mönstrade substraten för att separera mikro- och nanoskopiska partiklar på både symmetri och storlek, eftersom vi har visat att de kan rulla med olika hastigheter, "Sade Wu." De separerade partiklarna kan sedan användas som byggstenar för att göra fotoniska strukturer med intressanta ljus-materia-interaktioner. En annan riktning kommer att vara att tillverka mikrohjul av mjuka material som droppar som kan kapsla in droger. Vårt yttersta mål är att manövrera dessa mjuka hjul inom komplexa vaskulära nätverk och använda dem för att leverera läkemedel."

© 2019 Science X Network