Integreringen av mekaniskt minne i form av fjädrar har i hundratals år visat sig vara en nyckelteknik för att möjliggöra mekaniska enheter (som klockor), för att uppnå avancerad funktionalitet genom komplexa autonoma rörelser. För närvarande har integreringen av fjädrar i kiselbaserad mikroteknologi öppnat en värld av plana massproducerbara mekatroniska enheter som vi alla drar nytta av, till exempel via krockkuddesensorer.
För en ny generation av minimalt och till och med icke-invasiva biomedicinska applikationer måste dock mobila enheter som säkert kan interagera mekaniskt med celler uppnås på mycket mindre skalor (10 mikron) och med mycket mjukare krafter (pico Newton-skala, dvs. lyfta vikter mindre) än en miljondels mg) och i anpassade tredimensionella former.
Forskare vid Chemnitz University of Technology, Shenzhen Institute of Advanced Technology vid den kinesiska vetenskapsakademin och Leibniz IFW Dresden, i en nyligen publicerad publikation i Nature Nanotechnology , har visat att kontrollerbara fjädrar kan integreras på godtyckligt valda platser i mjuka tredimensionella strukturer med hjälp av konfokal fotolitografisk tillverkning (med nanoskala precision) av ett nytt magnetiskt aktivt material i form av en fotoresist impregnerad med anpassningsbara densiteter av magnetiska nanopartiklar.
Dessa "picofjädrar" har en anmärkningsvärt stor och avstämbar följsamhet och kan fjärrstyras genom magnetiska fält (även djupt inne i människokroppen) vilket tillåter ledad rörelse i mikrorobotar såväl som mikromanipulationer långt bortom den senaste tekniken.
Dessutom kan förlängningen av pico-fjädrarna också användas visuellt för att mäta krafter, till exempel framdrivnings- eller gripkrafter, i samverkan med andra objekt som celler. Till exempel har dessa pikofjädrar använts för att mäta framdrivningskraften hos spermaceller.
Publikationen visar upp dessa funktioner genom att demonstrera flera mikrobotar (inklusive en mikropingvin) som innehåller picosprings på flera platser som kan utföra dessa uppgifter på cellulär skala:driva sig själva, fatta och släppa celler och mäta de minimala krafter som behövs för att göra detta på ett säkert sätt.
Dr. Haifeng Yu, första författare till studien och gruppledare vid den kinesiska vetenskapsakademin i Shenzhen (Kina), säger:"Programmerbar elasticitet på mikrometerskala erbjuder en genomförbar strategi för att producera 3D-enheter och fint strukturerade "mikrokirurger" kan utföra komplexa medicinska uppgifter."
Dr Mariana Medina-Sanchez, gruppledare vid Leibniz IFW och BCUBE-TU Dresden, medförfattare och medhandledare för detta arbete, tillägger:"Dessa picospring-baserade mikromaskiner med programmerbar elasticitet och magnetism, tillverkade genom monolitisk tillverkning, öppen många möjligheter för lokaliserad kraftavkänning och aktivering i miljöer med låga Reynolds-tal. Denna mångsidighet understryker deras betydelse över ett spektrum av biomedicinska tillämpningar."
Prof. Oliver Schmidt, som är den sista författaren till uppsatsen och övervakade detta arbete, ser detta som ytterligare ett viktigt steg i övergången mot livsfärdig mjuk och smart modulär mikrorobotik. "Fjärrstyrda mikroenheter som använder magnetfält utgör en särskilt lovande teknologi för icke-invasiva medicinska applikationer – och nu sträcker sig detta till mekaniska mekanismer inuti dessa avlägsna mikroenheter", säger Schmidt.
"Att kunna införliva designfjädrar kommer också att lägga till ett nytt verktyg till den växande förmågan vid TU Chemnitz mot mikroelektronisk morfogenes och artificiellt liv", tillägger prof. John McCaskill, medförfattare till studien, medlem av Research Center MAIN, och grundare direktör för European Centre for Living Technology.
Mer information: Haifeng Xu et al, 3D nanotillverkade mjuka mikrorobotar med superkompatibla picoforce-fjädrar som inbyggda sensorer och ställdon, Nature Nanotechnology (2024). DOI:10.1038/s41565-023-01567-0
Journalinformation: Nanoteknik
Tillhandahålls av Chemnitz University of Technology
