Das Einsetzen eines Mikrobots in einen menschlichen Körper mit einem Akkupack könnte sich von einem nützlichen Gerät in eine gefährliche Situation verwandeln, wenn der Roboter jemals nicht mehr funktioniert. Aber was wäre, wenn Sie Batterien und Motoren vollständig eliminieren könnten? In den letzten Jahren waren es WissenschaftlerPerfektionierung magnetisch gesteuerter Mikroroboter. Die Steuerung mehrerer Roboter innerhalb desselben Magnetfelds hat sich jedoch als ziemlich schwierig erwiesen. Kürzlich gab ein Ingenieurteam bekannt, dass sie ein magnetisches Gerät entwickelt haben, mit dem Mikrobots unabhängig voneinander betrieben werden können, obwohl sie sich unter demselben Magnetfeld befinden.
In Zukunft könnte die Technologie bei Operationen helfen, bei denen viele Mikrobots benötigt werden. Zusammen können sie nicht-invasive therapeutische Operationen durchführen und präzisere lokale Arzneimittelabgabesysteme oder medizinische Implantate ermöglichen.
[Bildquelle : IEEE-Spektrum über Youtube ]
Die Herausforderung
Es gibt ein inhärentes Problem bei der Steuerung von Robotern mit Magneten. Die Magnetfelder, die die Roboter steuern, beeinflussen die Bewegungen auf die gleiche Weise. Obwohl die Schwärme cool aussehen, wenn sie gemeinsam arbeiten, ist es eine schwierige Aufgabe, sie unabhängig zu steuernsind einige Methoden, bei denen einzelne Komponenten unabhängig voneinander gesteuert werden können schließen zueinander. Aber bisher gab es keine effiziente Methode, die dies kann selektiv Komponenten bedienen, die sind rechts daneben einander
Da eine der Hauptanwendungen die Unterstützung bei medizinischen Anwendungen sein wird, müssen die Roboter unabhängig durch die kleinen Kanäle und Passagen im menschlichen Körper navigieren. Bei vielen Operationen schneidet nur eine Mikromaschine nicht.
Die Aufgabe war bis jetzt viele Jahre lang verwirrend. Forscher kürzlich veröffentlicht ein Artikel, der ein neues Magnetsystem beschreibt, das selektiv identische Mikrobots steuern kann, die gerade sind Millimeter abgesehen von demselben Magnetfeld.
Entwerfen eines Systems zur Überwindung des Problems
Anstatt winzige Roboter mit in sich geschlossenen Antriebs- und Navigationssystemen zu verwenden, setzen die Roboter auf eine bemerkenswert elementarere Lösung: einen Roboter, der durch Magnetismus ferngesteuert wird. Die Technologie zum Ändern von Komponenten innerhalb eines Magnetfelds gibt es schon seit einiger Zeitziemlich lange Zeit. Ohne die Notwendigkeit eines direkten Stromversorgungssystems und mechanischer Steuerungen können die Roboter viel kleiner gemacht werden.
Magnetisch betätigte Roboter sind anstelle einer herkömmlichen Batterie und eines herkömmlichen Motors ausschließlich auf Magnetismus für Antrieb und Manipulation angewiesen. Die Roboter können aus viel weniger gefährlichen Komponenten hergestellt werden. Gleichzeitig können sie jedoch mit ebenso viel oder mehr Präzision navigierenals batteriebetriebene Roboter.
Bisher war der gesamte Roboter in einem magnetischen Umhang eingeschlossen, der die Position des Roboters verändert. Es bleibt jedoch die Frage, wie die Roboter einzeln gesteuert werden können. Ohne physische Verbindung erhält jeder Mikrobot eine ähnliche Eingabe und wird aktivauf die gleiche Weise. Um das Problem zu bekämpfen, Forscher Jürgen Rahmer , Christian Stehning, und Bernhard Gleich hat einen neuen Magnetfeldgenerator entwickelt, mit dem einzelne Mikrobots oder bestimmte Komponenten - auch solche innerhalb desselben Feldes - selektiv betrieben werden können.
Individuelle Steuerung von Mikrobots
Es gibt zwei Möglichkeiten, verschiedene Mikroroboter innerhalb desselben Feldes zu steuern. Zum einen können Sie Komponenten unterschiedlicher Größe bauen, die in einem bestimmten Magnetfeld unterschiedlich wirken. Natürlich wären größere Schwärme schwierig herzustellen und der magnetische Eingang wäre schwierigmüssen ziemlich komplex sein. Alternativ gibt es, wie in den Arbeiten der Forscher beschrieben, eine Technik, bei der Magnetfelder verwendet werden, um selektiv mit bestimmten Komponenten zu interagieren.
Die Technik ist wirklich faszinierend. Die Art und Weise, wie die Forscher selektive Komponenten steuern, besteht nicht darin, auf Objekte mit magnetischem Eingang zu zielen. Teile, die sich bewegen sollen, sind vielmehr in einem donutförmigen Magnetfeldloch eingekreist, das als freies Feld bezeichnet wirdpoint FFP .In der Mitte mehrfach ausgerichteter Magnetspulen treffen sich die Felder und bilden eine sehr geringer Feldgradient . Anstatt auf Teile zu zielen, die sich bewegen sollen, übt das Magnetfeld eine Kraft auf alle Teile aus, die sich bewegen sollen. nicht bewegen. Alles, was sich nicht innerhalb des FFP befindet, wird durch den höheren Feldgradienten "verriegelt". Durch Einleiten eines sanft rotierenden Magnetfelds drehen sich dann Dinge innerhalb und nur innerhalb des FFP.
So drehen Sie Teile in verschiedene Richtungen
Damit sich die Schrauben unabhängig drehen, müssen sich diejenigen, die sich bewegen sollen, innerhalb des FFP befinden. Schrauben, die sich außerhalb des FFP befinden, erhalten eine Magnetkraft, die sie zur Seite kippt, verhindert, dass sie sich drehen, wodurch das "Schloss" entsteht.In der Mitte kippt das Magnetfeld die Schraube nicht und lässt sie frei, um sich durch ein anderes Magnetfeld an Ort und Stelle zu drehen. Die Technologie ist noch weit davon entfernt, sie in einer realen Situation zu implementieren, aber sie ist eine beeindruckende TechnologieTrotzdem konnten die Wissenschaftler die Schrauben einzeln so nah wie möglich betätigen. 3 Millimeter auseinander. Sobald sich die Technologie weiterentwickelt hat, kann sie möglicherweise Komponenten steuern, die noch näher beieinander liegen.
Eine Maxwell-Spule [links], im Wesentlichen ein Satz orthogonaler Spulen dargestellt durch Ringe, erzeugt den FFP um die Mikroroboter. Das Gerät erzeugt ein Magnetfeld [rechts] mit einer Stärke nahe Null in der Mitte. [Bildquelle: Yasutoshi Ishihara, Tsuyoshi Kuwabara und Naoki Wadamori ]
Zukünftige Anwendungen
Die individuelle Betätigung bestimmter Komponenten ist eine unglaublich nützliche Technologie. Mit ihr können mechanische Pumpen hergestellt werden, die keinen Strom in die Nähe der Flüssigkeit im Inneren bringen. Stattdessen könnte ein externer Mechanismus ein Pumpensystem individuell betreiben, indem er die zu drehenden und zu drehenden Pumpen auswähltwelche zu "sperren" sind. Die Pumpen würden auch als Ventil dienen und die Möglichkeit geben, den Durchfluss umzuleiten oder vollständig zu stoppen. Währenddessen würden keine gefährlichen Komponenten mit der Flüssigkeit in Kontakt kommen.
Mit der oben beschriebenen Methode kann ein Mikrobot mit Kraftpaketen und Motoren unglaublich klein gemacht werden, da ihre Größe nicht als Einschränkung berücksichtigt werden muss. In Zukunft könnte das System möglicherweise komplexere Roboter steuern, die eine bestimmte Aufgabe ausführen können.Das System ist besonders nützlich bei der Behandlung von Tumoren. Mit dieser Methode hätten Roboter, die in den Körper eindringen, Schaltmechanismen, die unabhängig voneinander aktiviert werden. Die Roboter könnten radioaktive Medikamente oder andere Kapseln in den Blutkreislauf befördern. Die Aktivierungsvorrichtung würde jedoch darüber platziertnur der Tumor. Sobald alle anderen Roboter ausgespült sind, werden nur diejenigen innerhalb des Magnetfelds des Geräts die Kapseln freisetzen.
Die neue Technologie wird zukünftigen magnetisch gesteuerten Robotern ein völlig neues Maß an Freiheit geben. Bald können kleinere und komplexere Mikrobots Operationen im Körper mit großer Präzision ausführen, ohne dass gefährliche Materialien benötigt werden. Die Technologie ist eineIn weiter Ferne ist es jedoch nur eine Frage der Zeit, bis magnetisch betätigte Roboter einen Komplexitätsgrad erreichen, der sie in der realen Welt anwendbar macht.
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Geschrieben von Maverick Baker