Door C Huygelen
De Leidse onderzoekers prof.dr. Daniela Kraft en Mengshi Wei hebben microscopische robots gemaakt die bewegen zonder sensoren, software of externe controle. In plaats daarvan komt hun gedrag volledig voort uit hun vorm en de manier waarop ze omgaan met hun omgeving. Deze klasse robots opent geheel nieuwe mogelijkheden voor biomedische toepassingen.
Close-up van de microrobot.
Geïnspireerd door de natuur
De inspiratie om deze robots te bouwen kwam uit de natuur. Kraft: “Dieren zoals wormen en slangen passen voortdurend hun vorm aan terwijl ze bewegen, wat hen helpt door hun omgeving te navigeren. Macroscopische robots gebruiken op dezelfde manier flexibiliteit voor hun functie. Tot nu toe waren microrobots echter klein en stijf, of groot en flexibel. We vroegen ons af of we kleine en flexibele microrobots in ons laboratorium konden realiseren.”
Klein, flexibel en verrassend capabel
Om dit uit te zoeken, ontwierpen ze een zachte, kettingachtige structuur bestaande uit flexibel verbonden segmenten, en printten deze met behulp van een 3D-microprinter. Tot verbazing van de onderzoekers zorgde het inschakelen van een elektrisch veld ervoor dat de kettingen in beweging kwamen. Wanneer hij begint te zwemmen, zorgt zijn flexibiliteit ervoor dat hij er levensecht uitziet.
Het team vond het erg leuk om te testen wat deze robots konden doen. “Wanneer de robot wordt afgeremd of zelfs gestopt, begint hij met zijn staart te zwaaien alsof hij los wil komen”, zegt Wei. “Dat gebeurt omdat de elementen achterin toch willen bewegen, en dat kunnen ze dankzij hun flexibiliteit.”
De bewegingen die deze microrobots maken
“Maar dat was nog niet alles”, vult Kraft aan. “We ontdekten dat er continue feedback bestaat tussen de vorm en de beweging van de robot: de vorm beïnvloedt hoe hij beweegt, en zijn bewegingen veranderen op zijn beurt de vorm. Deze microrobot voelt daarom hoe de omgeving zijn lichaam verandert en reageert daarop, waardoor het er levensecht uitziet. Dit betekent dat we geen microscopische elektronica nodig hebben om slimme vaardigheden te integreren.”
Wei merkte op dat “wanneer onze microrobot een obstakel tegenkomt, hij automatisch een andere route zoekt. En wanneer twee robots elkaar ontmoeten, sturen ze natuurlijk van elkaar weg.” De robots kunnen zelfs in dichte omgevingen bewegen en objecten die hun beweging belemmeren, uit de weg ruimen.
Hoe de microrobots bewegen in complexe omgevingen
Mogelijk toekomstig onderzoek en toepassingen
Het vermogen van deze microrobots om autonoom door complexe omgevingen te navigeren, opent opwindende mogelijkheden voor biomedische toepassingen, van gerichte medicijnafgifte tot minimaal invasieve medische procedures en diagnostiek.
Kraft: “We moeten nu volledig begrijpen hoe dergelijk dynamisch en functioneel gedrag ontstaat. Deze kennis zal ons helpen geavanceerdere microrobots en apparaten te ontwikkelen, maar ook om de fysica van biologische microzwemmers en organismen beter te begrijpen.”
Feiten en cijfers
- Structuur: Een zeer flexibele ketting van zelfrijdende elementen
- Materiaal: synthetisch, 3D-geprint in ons laboratorium op een Nanoscribe 3D-printer
- Grootte van de elementen: 5 µm
- Grootte van de staafverbindingen: 0,5 µm*
- Beweging: zelfrijdende elementen
- Snelheid: 7 µm/seconde
*Ter vergelijking: een mensenhaar is ongeveer 70-100 µm dik. Dit is 3D-printen op de rand van wat technisch mogelijk is.
Referentie
Levensecht gedrag ontstaat in actieve en flexibele microstructuren, Mengshi Wei en Daniela J. Kraft.
Universiteit Leiden
