自组装移动微型机器的新概念

自我组装机器

几秒钟内安装车轮:一旦非均匀电场被启动,微型汽车的底盘就会把自己的车轮拉进车轮口袋。仅仅过了一秒钟,所有的轮子都就位了。©MPI智能系统/自然材料2019

在未来,微型机械的设计者可以利用一种新的效果。一个由斯图加特马克斯普朗克智能系统研究所的研究人员领导的团队提出了一个概念,使微型车辆、微型转子和微型泵的组件能够在电场中自行组装。这一新概念可能有助于制造用于人体的医用微型机器人,或将实验室设备安装在微芯片上。

微型车的厚度大约是人类头发的一半,在未来,微型车可以将药物直接输送到疾病的源头,帮助诊断,并将微创手术提升到一个新的水平。然而,微型化也引起了医学、生物和化学实验室的兴趣。有了微芯片上的实验室,目前需要满屋子设备的医疗或环境化学分析也可以在移动中进行。yabovip2021

自我组装玩具小汽车

要使一辆微型汽车能够安装自己的车轮,它的底盘必须设计成一个不均匀的磁场,使它们被拉向车轮袋。计算机可以计算出该分量是如何影响电场的。©MPI智能系统/自然材料2019

长期以来,研究人员一直依靠各种方法来制造微型机器,这些机器依赖于组件之间的相互寻找:例如,在磁场中聚集在一起的磁粒子,或者通过化学反应相互对接的组件。现在他们的工具箱里又多了一个微型机器的自组装原理。马克斯·普朗克智能系统研究所所长梅廷·西蒂(Metin Sitti)领导下的科学家们利用“介电电泳”实现了这一目标。这涉及到一个不同强度的电场极化电绝缘塑料框架以及进一步的塑料或石英玻璃组件。极化分量反过来又改变了非均匀电场。这取决于它们的形状,理论上可以用计算机建模。“如果我们改变组件的形状,我们可以控制组件如何吸引彼此,”尤努斯·阿拉潘解释说,他在开发这一概念方面发挥了重要作用。通过仔细设计组件,一个字段形成,在其中,各部件精确地排列在一起,以满足建设的需要。

一辆自行组装的磁力推进微型汽车

利用这项技术,研究人员可以设计出一种采用非磁性底盘和磁珠作为车轮的微型汽车。Alapan表示:“我们设计了带有轮袋的底盘,因为从结构上讲,这样可以产生吸引磁性车轮的理想力。”“在我们打开电场几秒钟后,车轮就被拉进了轮袋。”

机器

由于作为汽车车轮的微粒是磁性的,汽车可以通过旋转的磁场来驱动。©MPI智能系统/自然材料2019

为了使车辆能够行驶,车轮需要能够自由转动。这正是斯图加特研究人员所追求的方法的优点之一。“我们的微型机器的组件并没有紧密地结合在一起,”Berk Yigit说,他在攻读博士学位时参与了这项研究。“每个部分都可以独立移动,而不是形成刚性连接。因此,研究人员能够利用旋转磁场来驱动微型汽车,同样,旋转的磁场也使车轮转动。

利用介电泳自组装的概念,斯图加特的科学家们能够组装许多其他类型的微型机器,包括可以部署在实验室芯片上的微型泵。他们还设计了一种机器,可以将几个大小不一的部件组装成更复杂的结构。利用电场,他们重新定位了一个微球,形成了一种小型碰碰车。在一个位置,他们可以推动飞行器,而在另外两个位置,他们可以让飞行器向左或向右转弯。Metin Sitti说:“在未来,具有高度移动性的微型机器可以用来输送药物来操纵单个细胞。目前,建造这样大小的机器是一个巨大的挑战。”“我们的新方法有可能降低这种建设的复杂性。”

出版:Yunus Alapan, Berk Yigit, Onur Beker, Ahmet F. Demirörs und Metin Sitti,“形状编码的移动微型机械动态组装”,《自然材料》,2019年6月24日;doi: 10.1038 / s41563 - 019 - 0407 - 3

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