Mikrorobotyka
Jak działa
Mikroroboty rzadko mają pokładowe zasilanie; energię i sygnały sterujące dostarcza się zdalnie. Najczęstszy schemat to namagnesowane struktury (często śrubowe) wprawiane w ruch wirującym lub gradientowym polem magnetycznym, co w reżimie małych liczb Reynoldsa (dominacja lepkości) zamienia obrót na ruch postępowy. Alternatywne napędy to katalityczny (rozkład paliwa, np. nadtlenku wodoru), fototaktyczny (światło), akustyczny (ultradźwięki) oraz bio-hybrydowy (bakterie lub komórki jako silnik). Nawigacja odbywa się w pętli sprzężenia zwrotnego pod kontrolą obrazowania medycznego (MRI, ultrasonografia, fluorescencja). Ruch musi być niecykliczny, aby ominąć ograniczenie wynikające z twierdzenia o przegrzebku.
Rozwiązany problem
Umożliwia wykonywanie zadań w przestrzeniach niedostępnych dla makroskopowych robotów i narzędzi — wewnątrz naczyń krwionośnych, tkanek, przewodów ciała czy mikrokanałów — z precyzją na poziomie pojedynczych komórek i bez inwazyjnej chirurgii.
Komponenty
Fizyczny szkielet o wymiarze sub-milimetrowym, często śrubowy, sferyczny lub porowaty, wytwarzany z polimerów, metali lub hydrożeli.
Oficjalna
Mechanizm zamiany zewnętrznej energii na ruch: magnetyczny (struktury śrubowe), katalityczny, akustyczny, fototaktyczny lub bio-hybrydowy.
Oficjalna
Aparatura generująca pole/energię sterującą: cewki magnetyczne (Helmholtza/Maxwella), źródła światła lub przetworniki ultradźwiękowe.
Oficjalna
Śledzenie położenia mikrorobota w czasie rzeczywistym za pomocą MRI, ultrasonografii lub fluorescencji, umożliwiające sterowanie w pętli zamkniętej.
Oficjalna
Przenoszony ładunek zadaniowy: lek, chwytak, sensor lub materiał do biopsji.
Oficjalna
Biokompatybilne, często biodegradowalne materiały ograniczające toksyczność i umożliwiające usunięcie po zadaniu.
Oficjalna
Implementacja
Brak miejsca na baterie i silniki wymusza zewnętrzne dostarczanie energii lub jej pozyskiwanie z otoczenia.
Precyzyjne prowadzenie i śledzenie obiektu o wymiarze mikrometrowym w organizmie jest trudne.
Materiały i paliwa mogą być toksyczne dla tkanek.
Ruch cykliczny (odwracalny) nie daje przemieszczenia (twierdzenie o przegrzebku).
Po wykonaniu zadania mikrorobot musi zostać usunięty lub bezpiecznie rozłożony.
Ewolucja
Wykład Richarda Feynmana „There's Plenty of Room at the Bottom” nakreślił ideę maszyn i manipulacji w skali mikro/nano.
E.M. Purcell opisał pływanie w reżimie dominacji lepkości i sformułował twierdzenie o przegrzebku, wyznaczające zasady napędu mikrorobotów.
Zespół z ETH Zürich zademonstrował śrubowe mikropływaki sterowane wirującym polem magnetycznym.
Przeglądowa praca „Microrobots for Minimally Invasive Medicine” usystematyzowała metody napędu, sterowania i zastosowania medyczne.
Zespół z UC San Diego wykazał działanie nanomotorów wewnątrz żywego organizmu, przybliżając zastosowania medyczne.
Zaprezentowano bio-hybrydowe, projektowane komputerowo mikroroboty zbudowane z komórek żaby, zdolne do ruchu i samonaprawy.
Hiperparametry (konfigurowalne osie)
Rozmiar mikrorobota (od poniżej 1 mm do skali mikrometrowej), determinujący fizykę ruchu i dostępne zastosowania.
Wybór napędu: magnetyczny, katalityczny, akustyczny, fototaktyczny lub bio-hybrydowy.
Sposób zdalnego sterowania: pole magnetyczne, światło, chemia lub ultradźwięki.
Dobór materiałów pod kątem biokompatybilności i biodegradowalności.
Rodzaj i ilość przenoszonego ładunku (lek, sensor, chwytak).