Eine hochmoderne Fertigungstechnik schafft Roboter mit einer Breite von weniger als einem Millimeter

Extrem kleine Roboter könnten eines Tages alles tun, um Chirurgen zu helfen Patienten operieren um den reibungslosen Betrieb von Fabriken zu gewährleisten. Aber Maschinen zu entwickeln, die das können mit bloßem Auge kaum zu sehen hat sich als außerordentlich schwierig erwiesen.

Deshalb ist es eine große Neuigkeit, dass sich ein Forscherteam für das Design von der Halbleiterindustrie inspirieren ließ. eine neue Art von Mikroroboter. Das bahnbrechende Design ermöglicht es einem Bediener, den Bot mit einem eng gebündelten sichtbaren Lichtstrahl zu steuern. Das Licht bewirkt, dass sich Materialien in und um die Beingelenke ausdehnen. Das Wegnehmen des Lichts führt zu einer Kontraktion. Dieses einfache Mittel zur Steuerung kann sendenDiese winzigen Roboter – weniger als einen Millimeter im Durchmesser – gehen, kriechen und krabbeln über eine Oberfläche.

Die Technologie wird erstmals am Mittwoch in einem vorgestellt Papierveröffentlicht im Peer-Review-Journal Wissenschaftsrobotik.

Interessante Technik | wissenschaft-x.com hat mit Co-Autor gesprochen John Rogers. Der Robotik-Ingenieur ist Professor für Materialwissenschaft und -technik, Biomedizintechnik und neurologische Chirurgie an der Northwestern University, Empfänger des MacArthur-„Genie-Stipendiums“ und Mitglied der National Academy of Science und der National Academy of Engineering.Er erklärte, wie die neue Erfindung funktioniert und warum der Bau winziger Roboter die Überwindung großer Probleme erfordert.

Dieses Interview wurde aus Gründen der Länge und Klarheit bearbeitet.

Interessante Technik | wissenschaft-x.com: Wie steht es heute um die Mikrorobotik?

John Rogers: Es gibt ein wachsendes Forschungsinteresse in verschiedenen akademischen und Start-up-Laboren rund um sehr kleine Roboter, die ferngesteuert werden können. Eines der langfristigen Bestrebungen für die Forschung in diesem Bereich ist die Patientenversorgung, wie z. B. fortschrittliche Chirurgie oder DiagnostikWerkzeuge, die minimal-invasiv bedient werden können, aber auch verschiedene industrielle Anwendungen, wie z. B. kleine Maschinen zur Montage, Reparatur und Wartung schwer zugänglicher Konstruktionen.

IE: Wie treibt Ihre Gruppe die Technologie in Bezug auf die Herstellung der Roboter selbst voran?

JR: Ich leite eine Gruppe, deren Kernkompetenz in Materialwissenschaft und Mikrofabrikation liegt. Wir haben alle möglichen einzigartigen Fähigkeiten beim Abscheiden und Mustern von dünnen Materialschichten, ähnlich wie Unternehmen in der Elektronikindustrie Chips mit integrierten Schaltkreisen herstellenWir kombinieren diese sehr ausgefeilten, etablierten Methoden mit einem Schema, das konzeptionell einem Kinder-Pop-up-Buch ähnelt, das es uns ermöglicht, flache, planare Strukturen geometrisch in komplexe 3D-Architekturen zu transformieren. Damit definieren wir die Körper,die Skelettstrukturen und die Muskeln des Roboters.

IE: Wie funktioniert die Pop-Up-Herstellung?

JR: Wir beginnen mit diesen Verfahren im Stil integrierter Schaltungen zur Bildung dünner, mehrschichtiger Materialfilme, die wir dann in flache, 2D-Geometrien strukturieren. Dann entfernen wir diese gemusterten Dünnfilmstrukturen von dem darunter liegenden Substratträger und übertragen sie physisch daraufein gedehntes Stück Gummi. Es ist etwas raffinierter als das, aber im Grunde ist es gedehnt, wie ein Trommelfell.

Dann kleben wir diese flachen, dünnen Filmstrukturen an dieses gedehnte Stück Gummi, so dass, wenn wir die Dehnung entspannen, die flache Musterstruktur komprimiert wird. Dadurch krümmt sich die flache, 2D-Struktur und nimmt das komplexe 3D anGeometrie. Wir spezifizieren die genaue 3D-Form, indem wir die 2D-Vorläuferstruktur bemustern und das Gummisubstrat auf bestimmte Weise dehnen. Mit dieser Methode können wir Roboter erstellen, die genauso aussehen wie Krabben, Raupen oder Grillen – verschiedene Arten von Dingen. Diese Strategie fürDer Bau von 3D-Strukturen ist einzigartig in unserer Gruppe.

IE: Was ist mit der Fortbewegung? Wie bewegen sich diese Roboter?

Wir konnten ein Schema entwickeln, das meiner Meinung nach einzigartig ist. Es nutzt eine Materialklasse, die als Formgedächtnislegierung bekannt ist, eine bestimmte Metalllegierung, deren einzigartiges definierendes Merkmal die Fähigkeit ist, die Phase zu ändernbeim Erhitzen. Dadurch kann es eine deformierte Konfiguration in eine zuvor definierte Form umwandeln.

Dieser Mechanismus dient als die Muskeln in unserem Roboter, die sich strategisch an den Gelenken der Beine befinden. Der Formgedächtniseffekt wird durch eine sehr dünne Glasschicht unterstützt, die wir als Skelett auf diesen Robotern ablegen. Es ist das Gleichgewicht dieses GummizugsRückstellkraft mit diesem Memory-Effekt, der es uns ermöglicht, die Beine hin und her zu bewegen und einen Gehgang, ein Sprungverhalten oder eine Art Inchworm-ähnliche Fortbewegungsart herzustellen.

IE: Wie können Sie diesen Mechanismus fernsteuern?

JR: Es ist Fernbedienung in dem Sinne, dass wir den Roboter dazu bringen, sich in programmierte Richtungen und mit programmierten Geschwindigkeiten ohne direkten physischen Kontakt zu bewegen. Es ist keine Fernbedienung in dem Sinne, dass ein ferngesteuertes Auto funktioniert. Wir beeinflussendie Steuerung mit sichtbarem Licht statt mit Hochfrequenzwellen.

Wir verwenden eine Lichtquelle, um diese Roboterstrukturen an verschiedenen Stellen ihres Körpers in einer zeitgesteuerten Programmsequenz zu beleuchten. Wenn das Licht auf diese Formgedächtnislegierungen trifft, wird ein Teil davon absorbiert. Dadurch wird eine geringe Erwärmung verursacht, die dieentsprechenden Teil des Roboters, um sich physisch zu bewegen. Wenn das Licht ausgeschaltet wird, kühlt das Gelenk schnell ab. Beim Abkühlen stellt die Skelettstruktur das Glied elastisch in seine ursprüngliche Position und Geometrie zurück.

Wenn Sie das immer wieder tun, können Sie ein Bein dazu bringen, sich hin und her zu bewegen, und Sie können zum Beispiel die linken Beine vor den rechten Beinen bewegen, und das führt dann zu einer Bewegung von links nach rechts. Der Wegdass wir das Licht über den Körper des Roboters scannen, bestimmt die Richtung und die Geschwindigkeit seiner Bewegung.

IE: Wie werden diese Roboter gesteuert, wenn sie sich in einem geschlossenen Raum befinden?

JR: Diese Roboter werden nicht für jedes Anwendungsszenario anwendbar sein. Es wird Umstände geben, in denen dieser Mechanismus einfach nicht funktioniert. Ich möchte nichts anderes behaupten. Aber wissen Sie, wenn Sie sich in einem befindenAuf engstem Raum könnten Sie sich ein faseroptisches Lichtübertragungsschema vorstellen, und es kann verschiedene Möglichkeiten geben. Sie müssen einen optischen Zugang haben – entweder direkten Sichtzugang oder etwas, das mit einem Wellenleiter adressiert werden kann. Ich möchte nichtetwas zu tun, das überfordern würde, was wir erreichen konnten. Ich denke, es ist etwas, das noch nie zuvor getan wurde, aber es ist nicht ohne Einschränkungen.

IE: Was waren bisher die größten technischen Herausforderungen?

JR: Allein die Vorstellung dieser Betätigungsmethode erforderte einige Einsichten und einige kreative Überlegungen. Die Optimierung der Art und Weise, wie wir 3D-Strukturen erstellen, beinhaltet eine Reihe verschiedener Herausforderungen. Eine bestand darin, herauszufinden, wie man diese Beine dazu bringt, sich von einem Festkörper abzustoßenOberfläche so, dass ein Roboter nicht nur hin und her wackelt. Wir mussten eine Art Struktur schaffen und den Füßen Krallen hinzufügen, damit sie sich in eine konsistente Richtung abstoßen können.

Das mag wie eine subtile Sache erscheinen, aber wenn Sie es nicht richtig machen, dann betätigen Sie die Krabbe und sie wackelt nur hin und her. Wenn Sie über die Natur der Kräfte und das Zusammenspiel zwischen den Beinen der Roboter nachdenken undDie festen Oberflächen, auf denen sie sitzen, erforderten einige sorgfältige Aufmerksamkeit.

IE: Welchen Kräften müssen Sie sich stellen, wenn Sie es mit diesen extrem kleinen Robotern zu tun haben?

JR: Wenn die Dinge kleiner und kleiner werden, neigen sie dazu, klebriger und klebriger zu werden. Wenn Sie zum Beispiel ein wirklich winziges Staubteilchen auf Ihrem Schreibtisch haben, könnten Sie sehr fest darauf blasen, und es wird sich nicht bewegen, weilEs bleibt dort aufgrund von Van-der-Waals-Kräften hängen. Dies sind verallgemeinerte Adhäsionskräfte, die zwischen zwei beliebigen festen Objekten existieren, fast unabhängig von der Chemie.

Da terrestrische Roboter immer kleiner werden, muss man wirklich an klebrige Füße denken. Man braucht wirklich starke mechanische Aktuatoren. Das ist eine Folge der Physik, mit der man einfach leben muss. Aber die Tatsache, dass die Insektenwelt zu navigieren scheintziemlich effektiv bei diesen Maßstäben ist ein Proof of Concept, dass es möglich sein sollte, aber es ist etwas, mit dem Sie sich als Roboteringenieur auseinandersetzen müssen.

IE: Wie haben Sie das Problem der „klebrigen Füße“ bei diesen Robotern gelöst?

JR: Es geht darum, die Füße zu konstruieren. Diese Klauenstrukturen treiben die Fortbewegung an, und sie steuern auch diesen Haftreibungseffekt. Die Roboterkörper, über die wir hier sprechen, haben einen halben Millimeter bis vielleicht den Durchmesser eines menschlichen HaaresDie Haftreibungseffekte sind in dieser Größenordnung nicht überwältigend. Aber wenn Sie die Größe um einen weiteren Faktor von 10 reduzieren, sprechen Sie von einer ziemlich beängstigenden Situation, in der unsere derzeitigen Ansätze möglicherweise nicht die Lösung sind. Es könnte sein, dass wir eine benötigenneue Idee für diese.