Winzige 3D-gedruckte Mikro-Roboter ebnen Weg für präzise Medikamentenabgabe

Bidirektionale Kontrolle mit einzelner Spule

Georgia-Tech-Forscher haben gezeigt, dass Roboter von der Größe eines Staubpartikels fähig sind zu präziser bidirektionaler Kontrolle. Durch Nutzung der Kraft eines Magnetfelds, erzeugt von einer einzelnen elektromagnetischen Spule, sind die mobilen Mikro-Roboter die kleinsten ihrer Art.

„Es gibt Schwimmer-Mikroroboter, die sich in Flüssigkeit ähnlicher Größe bewegen, aber dies sind die kleinsten ‚laufenden‘ Roboter, die sich auf fester Oberfläche bewegen“, sagte Azadeh Ansari, Sutterfield Family Early Career Assistant Professor an der Georgia Tech School of Electrical and Computer Engineering.

Die Georgia-Tech-Studie wurde kürzlich im Journal of Micro-Bio Robotics veröffentlicht. Aktuell verlassen sich die meisten magnetisch angetriebenen Mikro-Bot-Systeme auf Hinzufügen mehrerer Elektromagneten für volle Kontrolle – was höheren Stromverbrauch und weniger flexible Setups bedeutet. Nachzuweisen, dass ein einzelnes Spulen-Setup für präzise bidirektionale Bewegungskontrolle ausreicht, ist eine signifikante Hürde, so Ansari. Mit den nun viel einfacher zu bedienenden Mikro-Bots konnte das Team Mikromanipulationsfähigkeiten demonstrieren.

„Mit dem, was wir gezeigt haben, können wir bereits an Anwendung der Mikro-Bots in Laborumgebung denken“, sagte Ansari. „Man könnte hunderte Roboter auf demselben Substrat haben, die akin zu Ameisen in einer Kolonie arbeiten.“

Vom Vibrations- zum Rocker-Design

Im Frühjahr 2019 präsentierte Ansaris Team größere (2 mm lange) „Micro-Bristle-Bots“, die sich durch Vibrationen bewegten. Vibrationen sind nicht mehr nötig dank des aktualisierten „Rocker“-Designs – daher Micro-Rocker-Bots. Das neue Design erlaubt den Bots, sich durch Stick-Slip-Bewegung mit einem Out-of-Plane-Magnetfeld zu bewegen.

Stick-Slip-Bewegung bezieht sich im Wesentlichen auf die zwei Zustände des Roboters: einer, wenn der Roboter in einer fixierten/statischen Position auf der Oberfläche ist, und der andere, wenn der Roboter „rutscht“ leicht in eine Richtung und erreicht Netto-Bewegung, so Ph.D.-Student Tony Wang. Wenn das Magnetfeld eingeschaltet wird, erhebt sich der Roboter im Wesentlichen und fällt dann. Diese Bewegung ermöglicht genug kinetische Energie für Bewegung.

Genauso wichtig wie das Rocker-Design demonstriert das Paper die neuartige Nutzung eines Wellenform-Offsets für das Biasing der Roboter-Trajektorien-Richtung. Das Vorzeichen des Magnetfeld-Offsets (positiv oder negativ) sowie der Winkel des Rockers zur Oberfläche bestimmen die Bewegungsrichtung der Mikro-Bots. Kombiniert machen Rocker-Design und Magnetfeld-Offset die Mikro-Bots fähig zu gut kontrollierter und wichtig: wählbarer Bewegung. Beschleunigung und Verzögerung der Micro-Rocker-Bots können weiter durch Ändern der Magnetfeld-Frequenz kontrolliert werden.

Fertigung und Anwendung

Die 100-Mikrometer-langen Mikro-Bots wurden via Two-Photon-Lithographie auf Glassubstrat 3D-gedruckt und anschließend mit Nickel-Dünnschicht beschichtet, die als semi-harter Magnet auf externe Magnetfelder reagiert. Für viele Lab-Anwendungen können die Roboter direkt auf das Substrat gedruckt werden, das unter das Mikroskop geht, aber sie können auch gedruckt und mit einer Mikropipette transportiert werden.

„Es gibt viele Bereiche, wo die Mikro-Roboter innerhalb des aktuellen 2D-Unter-dem-Mikroskop-Prozesses angewendet werden können“, sagte Ansari. „Aber es gibt auch eine Zukunft, wo sie in lebende Organismen injiziert werden können, um Medikamente zu liefern oder Verletzungen zu reparieren.“

Für weitere Informationen kontaktieren Sie Georgia Parmelee, Georgia Institute of Technology (E-Mail geschützt, JS nötig); 404-281-7818.