I mikroskopisk skala, plockning, placering, samlar, och att ordna föremål är en ihållande utmaning. Framsteg inom nanoteknik innebär att det finns allt mer komplexa saker vi skulle vilja bygga i de storlekarna, men verktyg för att flytta deras beståndsdelar saknas.

Ny forskning från Högskolan för teknik och yrkeshögskola visar hur enkelt, mikroskopiska robotar, fjärrstyrd av magnetfält, kan använda kapillärkrafter för att manipulera föremål som flyter vid ett gränssnitt mellan olja och vatten. Detta system demonstrerades i en studie publicerad i tidskriften Bokstäver i tillämpad fysik .

Studien leddes av Kathleen Stebe, Richer &Elizabeth Goodwin professor vid Penn Engineerings avdelning för kemi- och biomolekylär teknik, och Tianyi Yao, en doktorand i sitt labb. Nicholas Chisholm, en postdoktor i Stebes labb, och Edward Steager, en forskare i Penn Engineerings GRASP-labb bidrog till forskningen.

Mikrorobotarna i Penn-teamets studie är tunna skivor av magnet, cirka en tredjedels millimeter i diameter. Trots att de inte har några rörliga delar eller egna sensorer, forskarna kallar dem robotar på grund av deras förmåga att plocka och placera godtyckliga föremål som är ännu mindre än de är.

Den förmågan är en funktion av den specialiserade miljön där dessa mikrorobotar arbetar:vid gränssnittet mellan två vätskor. I den här studien, gränssnittet är mellan vatten och hexadekan, en vanlig olja. Väl där, robotarna deformerar formen på det gränssnittet, i huvudsak omger sig med ett osynligt "kraftfält" av kapillärinteraktioner.

Samma kapillärkrafter som drar vatten från ett träds rötter till dess löv används här för att dra plastmikropartiklar i kontakt med roboten, eller andra partiklar som redan har fastnat på dess kanter.

"Vi har använt dessa kapillärkrafter för att sätta ihop saker tidigare, men nu är robotarna och partiklarna mycket lättare och några storleksordningar mindre i diameter, " säger Stebe. "När du går ner till mikronskalan, det betyder att en annan typ av fysik styr förvrängningarna. Att samla och organisera föremål som är några tiotals mikrometer i diameter är en stor bedrift, och inte något som vi kommer att kunna göra för hand."

Studien demonstrerade fysiken som styr interaktionerna mellan dessa mikrorobotar och plastpartiklarna som de hade till uppgift att manipulera.

"Förr, " säger Stebe, "vi tog statiska föremål och gjorde förvrängningar runt dem, visade sedan hur partiklar attraherades till områden med "hög krökning" av dessa förvrängningar. Nu, istället för ett statiskt objekt, vi har en magnet som fungerar som en mobil distorsionskälla."

"Detta gör saker mer komplicerade, " säger Chisholm. "När roboten rör sig mot partiklar, det skapar ett flödesfält som trycker bort partiklarna, så nu finns det hydrodynamisk repulsion och kapillär attraktion som samverkar. Partiklarna följer energiminimum, vilket kan innebära att gå uppför."

Med en fyrkantig robot, forskarna såg att när de väl fick partiklar över toppen av deformationen, de var starkt attraherade av hörnen. Detta är en potentiellt användbar egenskap, eftersom robotarna kunde närma sig sina mål från ett brett spektrum av vinklar och orienteringar och ändå hamna med partikeln på en förutsägbar plats.

"Vi har visat att när du ändrar robotens form, du ändrar typ och styrka av interaktionerna, " säger Stebe. "Varpa hörn håller fast i partiklarna som en bister död, men när vi mjukar upp hörnen, vi kan bara ge robotarna en snurr för att släppa dem."

Förutom en fyrkant med mjuka hörn, forskarna experimenterade också med en rund robot, samt en blomformad. Alla hade den extra fördelen att kunna släppa sin last exakt genom att snurra på plats, med den blomformade robotens "kronblad" som ger den mest exakta kontrollen över platsen för en lastpartikel.

Till sist, teamet demonstrerade en dockningsstation. Består av en statisk bit av vågig plast, dockningsstationen är en del ovanför och en del under gränssnittet. Detta arrangemang ger en mycket förutsägbar uppsättning förvrängningar där materialet korsar gränssnittet.

"Vi kan flytta runt dessa robotar och samla saker, " Steager säger, "att bygga upp riktigt komplicerade material genom att plocka upp bitarna en i taget och docka dem där vi vill."

Eftersom interaktionerna mellan robotarna och partiklarna inte har något att göra med materialen de är gjorda av, ett brett utbud av applikationer är möjliga.

"Partiklarna vi manipulerar i den här studien är ungefär den genomsnittliga storleken på en mänsklig cell eller mindre, " Yao säger, "så den här typen av system kan ha tillämpningar inom encellig biologi, med en magnetisk mikrorobot som flyttar enskilda celler genom olika stadier av ett experiment."

"Dessa partiklar kan också vara en del av ett sensorsystem, " säger han. "Om du hade en robot och sensorpartiklar på ett gränssnitt, du kan samla upp dessa partiklar och bära hela enheten mot målområdet med en extremt fin grad av rumslig kontroll. I detta scenario, Det behövs en mycket låg koncentration av sensorpartiklar och de kan lätt dras tillbaka efter testet."

Framtida arbete kommer att innebära att utveckla ett större bibliotek av mikrorobotars former och beteenden för att manipulera objekt i deras miljö, samt mer robusta avkännings- och kontrollsystem som skulle tillåta en större grad av autonomi för robotarna.