Luonnosta mallia tulevaisuuden mikroroboteille

”Mikro- ja pehmeät robotit tarvitsevat toimilaitteita, jotka mahdollistavat robottijärjestelmien tarttumisen, liikkumisen ja vuorovaikutuksen ympäristönsä kanssa”, tohtori Zaklina Burghard sanoo. ”Emme kehittäneet vain yhtä toimilaitetta. Loimme valmistusalustan, joka muuntaa ultraohuet toiminnalliset kalvot ohjelmoitaviksi kolmiulotteisiksi keraamisiksi mikrorulliksi sekunneissa.

Perhosen imukärsän inspiroima

Perhonen imukärsän elegantista rullaantumisesta ja avautumisesta tuli lähtökohta uusien keraamisten mikrokierukoiden kehittämiselle. Tutkijat valmistivat magneettisia rautaoksidinanopartikkeleita sisältäviä ultraohuita vanadiinipentoksidikalvoja ja muunsivat ne kolmiulotteisina mikrokierukoina yksinkertaisella mekaanisella prosessilla.

Mikrokääröjen valmistamiseksi ohuet keraamiset kalvot kuoritaan varovasti alustastaan partakoneen terällä. Toimien paljolti kuten miniatyyrihöylä, terä taivuttaa jatkuvasti irronnutta kalvoa, jolloin se rullautuu tiukasti kierteiseksi mikrokääröksi muutamassa sekunnissa. Magneetin tuominen lähelle mikrokääröä saa rullautumaan sen nopeasti auki; magneettikentän poistaminen mahdollistaa sen takaisin rullautumisen.

Toisin kuin perinteiset keraamit, nämä ultraohuet kalvot eivät ole hauraita, vaan joustavia. Niiden epätavallinen mekaaninen käyttäytyminen johtuu bioinspiroidusta hierarkkisesta nano- ja mikrorakenteesta, joka mahdollistaa elastisen muodonmuutoksen säilyttäen samalla keraamisen materiaalin rakenteellisen eheyden.

Tutkijat ovat valmistaneet muutaman mikrometrin levyisiä rullia, joiden läpimitta on kelalle käärittynä vain muutama sata mikrometriä. Avattuna ne ovat jopa 25 mm pitkiä. Kokeissa rullat ovat osoittautuneet erittäin kestäviksi: ne toimivat täydellisesti jopa 5 000 syklin jälkeen.

Keraamiset mikrorullat pystyvät liikkumaan yli 30 kertaa oman painonsa verran. ”Mikrorullat voidaan myös järjestää ohjelmoitaviksi matriiseiksi”, Burghard sanoo. ”Tämä mahdollistaa useiden toimilaitteiden samanaikaisen toiminnan ja koordinoitujen tehtävien, kuten mikroskooppisten esineiden nostamisen, kuljettamisen tai käsittelyn, suorittamisen.”

Vanadiinipentoksidi valittiin mallimateriaaliksi, koska se on ollut Burghardin tutkimuksen keskiössä jo vuosia ja tarjosi ihanteellisen pohjan uuden valmistusalustan kehittämiselle.

”Minulle toimilaite on vasta alkua”, Burghard sanoo. ”Todellinen innovaatio on itse vieritysalusta. Se voidaan siirtää moniin erilaisiin orgaanisiin ja epäorgaanisiin ohutkalvomateriaaleihin, mikä avaa oven täysin uusille ohjelmoitaville mikrojärjestelmille.” Mikro- ja pehmeän robotiikan lisäksi alusta voisi mahdollistaa tulevaisuuden elektroniset komponentit, anturit, energian varastointilaitteet ja muut monitoimiset mikrojärjestelmät, jotka on räätälöity tiettyihin sovelluksiin.

Aiheesta aiemmin:

Kvanttianturit liikkeeseen solun sisällä

Maailman pienimmät ohjelmoitavat robotit

Lentävä mikrorobotti lentää kuin kimalainen