Toroidalni mikrorobot pliva u medu

Istraživači sa Sveučilišta Tampere u Finskoj i Sveučilišta Anhui Jianzhu u Kini napravili su značajan napredak u mekoj robotici. Njihova revolucionarna studija predstavlja prvog toroidalnog mikrorobota pokretanog svjetlom koji se može samostalno kretati u viskoznim tekućinama, poput meda. Ova inovacija označava veliki korak naprijed u razvoju mikro-robota sposobnih za navigaciju u složenim okruženjima, s obećavajućim primjenama u područjima kao što su medicina i praćenje okoliša.

Pogled kroz optički mikroskop otkriva skriveni svemir koji vrvi životom. Priroda je osmislila genijalne metode za mikroorganizme za snalaženje u svom viskoznom okruženju. Na primjer, bakterije E. coli koriste pokrete vadičepa, trepavice se pomiču u koordiniranim valovima, a flagele se oslanjaju na udarce poput biča da bi se tjerale naprijed. Međutim, plivanje na mikroskali je slično pokušaju čovjeka da pliva kroz med, zbog viskoznih sila.

Nadahnuti prirodom, znanstvenici specijalizirani za vrhunske mikro-robotske tehnologije sada su na tragu rješenja. U središtu pionirskog istraživanja Sveučilišta Tampere nalazi se sintetski materijal poznat kao tekući kristalnielastomer. Ovaj elastomer reagira na podražaje poput lasera. Kada se zagrije, sam se okreće zahvaljujući posebnom režimu nulte elastične energije (ZEEM), uzrokovanom međudjelovanjem statičkih i dinamičkih sila.

Prema Zixuanu Dengu, doktorskom istraživaču na Sveučilištu Tampere i prvom autoru studije, ovo otkriće ne samo da predstavlja značajan korak naprijed u mekoj robotici, već također utire put za razvoj mikro-robota sposobnih za navigaciju u složenim okruženjima.

"Implikacije ovog istraživanja nadilaze robotiku, potencijalno utječući na područja kao što su medicina i praćenje okoliša. Na primjer, ova bi se inovacija mogla koristiti za transport lijeka kroz fiziološku sluz i deblokiranje krvnih žila nakon minijaturizacije uređaja", kaže Deng.

Desetljećima su znanstvenici bili fascinirani jedinstvenim izazovima plivanja na mikroskali, koncepta koji je predstavio fizičar Edward Purcell 1977. On je prvi zamislio toroidalnu topologiju, oblik krafne, zbog njenog potencijala da poboljša navigaciju mikroskopskih organizama u sredinama gdje su viskozne sile dominantne, a inercijske sile zanemarive. Ovo je poznato kao Stokesov režim ili granica niskog Reynoldsovog broja. Iako se činilo obećavajućim, takav toroidalni plivač nikada nije prikazan.

Sada je napredak u toroidalnom dizajnu pojednostavio kontrolu robota za plivanje, eliminirajući potrebu za složenim arhitekturama. Korištenjem jedne zrake svjetlosti za pokretanje nerecipročnog gibanja, ovi roboti koriste ZEEM za autonomno određivanje svojih pokreta.

"Naša inovacija omogućuje trodimenzionalno slobodno plivanje u Stokesovom režimu i otvara nove mogućnosti za istraživanje ograničenih prostora, kao što su mikrofluidna okruženja. Osim toga, ovi toroidalni roboti mogu se prebacivati ​​između načina kotrljanja i samopogona kako bi se prilagodili svojoj okolini," dodaje Deng.

Deng vjeruje da će buduća istraživanja istražiti interakcije i kolektivnu dinamiku više torusa, što bi potencijalno moglo dovesti do novih metoda komunikacije između ovih inteligentnih mikrorobota. 

Studija  "Light-steerable locomotion using zero-elastic-energy modes", nedavno objavljena u časopisu Nature Materials, predstavlja kulminaciju nalaza iz dva velika istraživačka projekta.

Prvi projekt,  STORM-BOTS, ima za cilj osposobiti novu generaciju istraživača u području meke robotike, s posebnim fokusom na elastomere s tekućim kristalima. Kao dio ovog projekta, istraživanje doktorske disertacije Zixuana Denga usmjereno je na razvoj svjetlosnih mekih robota koji se mogu učinkovito kretati u zraku i vodi. Njegov rad zajednički nadgledaju profesor Arri Priimagi i profesor Hao Zeng sa Sveučilišta Tampere.

Drugi projekt,  ONLINE, istražuje neravnotežne sustave mekih aktuatora. Ovaj projekt ima za cilj postići samoodrživo kretanje, omogućujući nove robotske funkcije kao što su kretanje, interakcija i komunikacija.