Molekyylirobotit parveutuvat yhteistyöhön

Kaaviokuvat lastinkuljetuksesta molekyylirobottien parvella (ylhäällä) ja fluoresenssikuvia sinistä pallomaista lastia kuljettavasta molekyylirobotista (alhaalla). Mittaviiva on 20 mikrometriä. Määrittämällä valosäteilyn sijainti on mahdollista kerätä rahti määrättyyn kohteeseen (oikealla). Mittaviiva on 50 mikrometriä.

Suurempi kuva

Alallaan ensimmäisessä tutkimuksessa tutkijat ovat osoittaneet, että molekyylirobotit pystyvät kuljettamaan rahtia käyttämällä parvistrategiaa, jolloin kuljetusteho on viisi kertaa suurempi kuin yksittäisillä roboteilla.

Parvirobotiikka on uusi tieteenala, joka on saanut inspiraationsa elävien organismien yhteistoiminnallisesta käyttäytymisestä ja joka keskittyy robottien valmistukseen ja niiden hyödyntämiseen monimutkaisten tehtävien suorittamiseen parvissa.

Tohtori Mousumi Akterin ja Hokkaidon yliopiston luonnontieteellisen tiedekunnan apulaisprofessori Akira Kakugon johtama tutkijaryhmä on onnistunut kehittämään maailman ensimmäiset toimivat mikrokokoiset koneet, joissa hyödynnetään parveilun etuja.

Yhteistyössä toimivien robottien parvi saa joukon ominaisuuksia, joita ei löydy yksittäisistä roboteista – ne voivat jakaa työtaakan, reagoida riskeihin ja jopa luoda monimutkaisia rakenteita vastauksena ympäristön muutoksiin. Mikro- ja nanomittakaavassa olevilla mikroroboteilla ja koneilla on niiden koosta johtuen hyvin vähän käytännön sovelluksia; jos ne voisivat tehdä yhteistyötä parvissa, niiden käyttömahdollisuudet lisääntyisivät valtavasti.

Ryhmä rakensi noin viisi miljoonaa yksimolekyylistä konetta. Nämä koneet koostuivat kahdesta biologisesta komponentista: DNA:han linkitetyistä mikrotubuluksista, mikä mahdollisti niiden parveilemisen; ja kinesiinistä, jotka olivat toimilaitteita, jotka pystyivät kuljettamaan mikrotubuluksia.

DNA yhdistettiin valoherkän yhdisteen, atsobentseenin kanssa, joka toimi sensorina, mikä mahdollisti parveilun hallinnan. Näkyvälle valolle altistuessaan atsobentseenin rakenteen muutokset saivat DNA:n muodostumaan kaksoisjuosteensa ja johtivat mikrotubulukset muodostamaan parvia. UV-valolle altistuminen käänsi tämän prosessin.

Kokeissa käytetty lasti koostui polystyreenihelmistä. Ne käsiteltiin atsobentseeniin kytketyllä DNA:lla; joten lasti lastattiin näkyvällä valolla ja purettiin UV-valolla. Molekyylikoneissa ja lastissa käytetty DNA ja atsobentseeni olivat erilaisia, joten parveilua voitiin hallita kuorman lastauksesta riippumatta.

Yksittäiset koneet pystyvät lastaamaan ja kuljettamaan polystyreenihelmiä, joiden halkaisija on enintään 3 mikrometriä, kun taas koneparvet voivat kuljettaa halkaisijaltaan jopa 30 mikrometrin kokoista lastia. Lisäksi kuljetusetäisyyden ja kuljetusmäärän vertailu osoitti, että parvet olivat jopa viisi kertaa tehokkaampia kuljetuksessa yksittäisiin koneisiin verrattuna.

Osoittamalla, että molekyylikoneet voidaan suunnitella parveilemaan ja yhteistyöhön kuljettamaan rahtia tehokkaasti, tämä tutkimus on luonut pohjan mikrorobottien soveltamiselle eri aloilla. "Lähitulevaisuudessa odotamme näkevämme mikrorobottiparvia lääkkeiden toimittamisessa, kontaminanttien keräämisessä, molekyylitason sähköntuotantolaitteissa ja mikroilmaisinlaitteissa", Akira Kakugo sanoo.

Aiheesta aiemmin:

Parveilevaa ja loikkivaa robottitekniikkaa

Kohti älykkäitä mikrorobotteja