Ingenieure aus Belgien und Frankreich haben das ThermoBot-System entwickelt, um die Fähigkeiten einer Methode zu demonstrieren, die die Manipulation von Mikroobjekten und die Steuerung von Mikrorobotern, die auf der Wasseroberfläche schwimmen, mit einem Infrarotlaser ermöglicht. Es basiert auf dem Effekt des Auftretens von thermokapillaren Konvektionsströmungen in Wasser aufgrund einer Änderung des Wertes der Oberflächenspannung bei lokaler Erwärmung (der Marangoni-Effekt). Der Laserstrahl wird auf bestimmte Punkte in der Nähe des Objekts gerichtet und erzeugt an diesen Punkten lokale Flüssigkeitsströmungen, die das Objekt in Bewegung setzen. Durch Variation der Laserleistung, der Heizdauer und der Position des Heizpunktes relativ zum Objekt können Sie die Richtung und Geschwindigkeit seiner Bewegung einstellen, und durch schnelles Umschalten des Strahls zwischen mehreren Heizpunkten können Sie die Bewegung entlang a. steuern vorgegebene Flugbahn mehrerer Mikroobjekte gleichzeitig. Darüber hinaus ist es mit dem ThermoBot-System möglich, Operationen an der Mikromontage von Miniaturgeräten durchzuführen, so ein Artikel, der in der Zeitschrift Science Robotics veröffentlicht wurde.
In der modernen Welt besteht die Tendenz, die Größe der Geräte zu reduzieren. Dies gilt auch für die Robotik. Ingenieure arbeiten seit langem an der Entwicklung von Mikrorobotern für den Einsatz in verschiedenen Bereichen. In der Medizin kann beispielsweise die minimal-invasive Chirurgie genannt werden, die Operationen mit Mikroinstrumenten mit minimaler Schädigung des umgebenden Gewebes, die gezielte Abgabe von Medikamenten an betroffene Organe und Gewebe sowie die Manipulation einzelner Zellen ermöglicht.
Die geringe Größe von Mikrorobotern schränkt ihre Fähigkeiten ein, da einfach nicht genügend Platz vorhanden ist, um Steuerungen, Stromversorgungen, Aktoren und Nutzlast direkt an Bord unterzubringen. Daher werden häufig externe Verfahren zur Ansteuerung und Steuerung verwendet, beispielsweise ein Magnetfeld. Mit seiner Hilfe ist es möglich, die Bewegung mehrerer Mikroroboter gleichzeitig zu steuern, da das Magnetfeld jedoch alle Objekte in der Umgebung beeinflusst, kann dies die Manipulation einzelner Objekte oder deren Elemente erheblich erschweren.
Ingenieure der Freien Universität Brüssel und des Instituts FEMTO-ST aus Frankreich unter der Leitung von Franco Piñan Basualdo haben ein Steuerungssystem namens ThermoBot entwickelt, das sich für die Manipulation von Mikroobjekten und Mikrorobotern an der Schnittstelle zwischen Wasser und Luft eignet. Das System ermöglicht eine präzise Steuerung der Position, Geschwindigkeit und Ausrichtung von Mikroobjekten mit einem Infrarotlaser und thermokapillaren Strömungen, die von ihm nahe der Wasseroberfläche abgebildet werden.
Design des ThermoBot-Systems
Zusammenbau eines Mikropuzzles aus Einzelteilen mit ThermoBot
Das Verfahren basiert auf dem Kapillarkonvektionseffekt von Marangoni, dem Phänomen des Materialtransfers entlang der Grenzfläche zwischen zwei Medien bei Vorhandensein eines Oberflächenspannungsgradienten. Die Erwärmung der Wasseroberfläche durch einen Infrarotlaser führt zu einer Abnahme der Oberflächenspannung in diesem Bereich, wodurch die Flüssigkeit von hier in die kälteren Bereiche "gezogen" wird, da dort die Oberflächenspannung höher ist. Der Prozess betrifft nicht nur die Oberfläche, sondern auch Flüssigkeitsschichten, die sich in einer bestimmten Tiefe befinden und konvektive Zellen bilden. So ist es möglich, mit einem auf bestimmte Punkte gerichteten Laser lokale Kapillarströmungen zu erzeugen, die Objekte auf der Wasseroberfläche in eine bestimmte Richtung schieben.
Die Anlage zum Testen der Möglichkeiten des Verfahrens besteht aus einem mit destilliertem Wasser gefüllten Tank, dessen Schichtdicke 8 Millimeter beträgt, über dem sich ein beweglicher Spiegel befindet, der mit Hilfe von piezoelektrischen Elementen in der Lage ist, das einfallende Licht abzulenken Laserstrahl innerhalb des Arbeitsbereichs von 80 mal 80 Millimeter. Die Wellenlänge des Infrarotlasers beträgt 1455 Nanometer und die Strahlbreite beträgt etwa 1,3 Millimeter. Die Laserleistung kann von 20 bis 150 Milliwatt variiert werden. Die Kontrolle über die Position des Laserspots und die Bewegungsbahn von Mikroobjekten auf der Wasseroberfläche erfolgt mit einer Kamera, die sich über der Arbeitsoberfläche befindet.
Mit Hilfe eines beweglichen Spiegels erwies es sich als möglich, den Strahl effektiv zwischen fünf Punkten umzuschalten, wodurch es möglich ist, die Bewegung mehrerer Objekte gleichzeitig zu steuern. Diese Zahl hängt von der Rotationsgeschwindigkeit des verwendeten Spiegels ab und kann in Zukunft erhöht werden. In den Tests konnten die Entwickler die Bewegung entlang vorgegebener Trajektorien (Lissajous-Figuren) bis zu vier Mikrokugeln mit einem Durchmesser von 0,5 mm mit einem mittleren Fehler von 0,2 mm gleichzeitig steuern sowie die Position und Bewegungsrichtung der Mikroplattform mit vier "Beinen", deren Gewicht das Gewicht der Mikrokugeln um das 50-fache übersteigt. Dazu beleuchtet der Laserstrahl Bereiche in der Nähe bestimmter "Beine" der Plattform und zwingt sie, sich zu drehen und in die gewünschte Richtung zu bewegen.
In einem weiteren Experiment wurde die Möglichkeit demonstriert, das Verfahren zum gerichteten Aufbau von Verbundmikrostrukturen aus Einzelelementen zu verwenden. Dazu wurden kleine, komplexe Plättchen aus Quarzglas wie ein Puzzle miteinander verbunden. In Tests mit höchster Laserleistung konnten Objektgeschwindigkeiten von 12 Millimetern pro Sekunde oder 24 Körperlängen pro Sekunde erreicht werden, während die Wassererwärmung nur 5 Kelvin betrug, was laut den Ingenieuren bedeutet, dass ihre Methode verwendet werden, um beispielsweise wärmeempfindliche Mikroelektronik zu manipulieren.
Die Autoren der Arbeit weisen darauf hin, dass die von ihnen gebaute Plattform bisher nur ein Test der Funktionsfähigkeit der Methode ist, die derzeit nicht ohne Nachteile ist. Zum Beispiel beschränkt die Arbeit an einer Wasseroberfläche die Manipulation auf zwei Dimensionen, und der verwendete Spiegel ermöglicht nur fünf Heizpunkte. Die Autoren planen jedoch, das optische System zu verbessern, um die Anzahl der möglichen Laserpunkte zu erhöhen und andere Muster der Oberflächenbeleuchtung zu erhalten, die die Erzeugung von Strömungen mit komplexeren Formen ermöglichen. Sie glauben, dass die ThermoBot-Plattform vor allem im Bereich der Mikromontage große Perspektiven hat und in Zukunft für den Zusammenbau von Mikrorobotern und andere Manipulationen mit Mikroobjekten verwendet werden kann.
Zuvor haben wir über Miniaturroboter gesprochen, die in der Origami-Technik gebaut wurden - der japanischen Kunst des Faltens von Papierfiguren, dank derer sich Geräte durch Falten von flachen Blättern in komplexe dreidimensionale Strukturen verwandeln lassen.
