Mikroskaala robootika valdkond on pikka aega maadelnud põhilise väljakutsega: kuidas tagada piisav võimsus autonoomsetele seadmetele, mis on piisavalt väikesed, et liikuda inimkehas või tööstuslikes torustikes. Traditsioonilised toiteallikad on selliste rakenduste jaoks olnud liiga suured või ebatõhusad, piirates nende miniatuursete imede potentsiaali. Kuid Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi (MIT) murranguline arendus tõotab selle tõkke ületada, käivitades potentsiaalselt uue mikroskaala robootika ajastu.
MIT-i insenerid on välja töötanud nii väikese aku, mis konkureerib juuksekarva paksusega, kuid samas piisavalt võimas, et anda energiat autonoomsetele mikrorobotidele. See uuendus võib muuta valdkonnad alates tervishoiust kuni tööstuse hoolduseni, pakkudes enneolematuid võimalusi sihipäraseks sekkumiseks ja kontrollimiseks varem ligipääsmatutes keskkondades.
Miniaturiseerimise jõud
Uus MIT-i väljatöötatud aku nihutab miniaturiseerimise piirid märkimisväärsete äärmusteni. Vaid 0,1 millimeetri pikkune ja 0,002 millimeetri paksune toiteallikas on palja silmaga vaevu nähtav. Vaatamata väikesele suurusele on aku tugev, mis on võimeline tootma kuni 1 volti elektrit – sellest piisab väikeste vooluahelate, andurite või täiturmehhanismide toiteks.
Selle aku funktsionaalsuse võti peitub selle uuenduslikus disainis. See kasutab ümbritsevast õhust hapnikku tsingi oksüdeerimiseks, luues elektrivoolu. See lähenemisviis võimaldab akul töötada erinevates keskkondades, ilma et oleks vaja väliseid kütuseallikaid, mis on autonoomse töö jaoks erinevates seadetes ülioluline.
Võrreldes olemasolevate väikeste robotite toitelahendustega, on MIT-i aku märkimisväärne samm edasi. Varasemad katsed toita mikroskaala seadmeid põhinesid sageli välistel energiaallikatel, nagu laserid või elektromagnetväljad. Kuigi need meetodid on tõhusad kontrollitud keskkondades, piirasid need tugevalt robotite ulatust ja autonoomiat. Uus aku seevastu pakub sisemist toiteallikat, laiendades oluliselt mikrorobotite potentsiaalseid rakendusi ja tööulatust.
Autonoomsete mikrorobotite vallandamine
Selle mikroskaala aku väljatöötamine tähistab pöördelist nihet robootika valdkonnas, eriti autonoomsete mikroseadmete valdkonnas. Integreerides toiteallika otse nendesse pisikestesse masinatesse, saavad teadlased nüüd ette kujutada tõeliselt sõltumatuid robotsüsteeme, mis on võimelised töötama keerulistes reaalses keskkonnas.
See täiustatud autonoomia on teravas kontrastis sellele, mida teadlased nimetavad “marionettsüsteemideks” – mikrorobotid, mis sõltuvad välistest toiteallikatest ja juhtimismehhanismidest. Kuigi sellised süsteemid on näidanud muljetavaldavaid võimalusi, piirab nende sõltuvus välistest sisenditest nende potentsiaalseid rakendusi, eriti raskesti ligipääsetavates või tundlikes keskkondades.
Michael Strano, MIT-i keemiatehnoloogia professor ja uuringu vanemautor Michael Strano, rõhutab selle tehnoloogia transformatiivset potentsiaali: „Arvame, et see on robootika jaoks väga kasulik. Ehitame akule robotifunktsioone ja hakkame neid komponente seadmeteks kokku panema.
Võimalus toita erinevaid komponente, sealhulgas täiturmehhanisme, memristoreid, kellaahelaid ja andureid, avab nende mikrorobotite jaoks palju võimalusi. Nad võivad potentsiaalselt liikuda keerulistes keskkondades, töödelda teavet, jälgida aega ja reageerida keemilistele stiimulitele – kõike seda vormiteguriga, mis on piisavalt väike, et neid inimkehasse või tööstussüsteemidesse viia.
Võimalikud rakendused
Alates tervishoiust kuni tööstusliku hoolduseni on selle tehnoloogia võimalikud rakendused nii mitmekesised kui ka murrangulised.
Meditsiinilised piirid
Mikroskaala akutehnoloogia avab põnevaid võimalusi meditsiinivaldkonnas, eriti ravimite sihipärasel kohaletoimetamisel. Teadlased näevad ette pisikeste akutoitel robotite kasutuselevõttu inimkehas, et transportida ja vabastada ravimeid kindlates kohtades. See lähenemine võib revolutsiooniliselt muuta erinevate haigusseisundite ravi, parandades tõhusust, vähendades samal ajal süsteemse ravimite manustamisega seotud kõrvaltoimeid.
Lisaks ravimite kohaletoimetamisele võivad need mikrorobotid võimaldada uusi minimaalselt invasiivse diagnostika ja sekkumiste vorme. Näiteks võib neid kasutada koeproovide kogumiseks, veresoonte ummistuste kõrvaldamiseks või siseorganite reaalajas jälgimiseks. Võimalus andureid ja saatjaid sellisel skaalal toita võib viia ka täiustatud siirdatavate meditsiiniseadmeteni pidevaks tervisekontrolliks.
Tööstuslikud uuendused
Tööstussektoris on selle tehnoloogia rakendused võrdselt paljulubavad. Üks vahetumaid võimalikke kasutusviise on gaasitoru lekke tuvastamine. Nende patareide jõul töötavad miniatuursed robotid suudavad liikuda keerulistes torujuhtmesüsteemides, tuvastades ja leides lekkeid enneolematu täpsuse ja tõhususega.
Tehnoloogia võib leida rakendusi ka muudes tööstuslikes seadetes, kus juurdepääs on piiratud või inimestele ohtlik. Näited hõlmavad tuumaelektrijaamade struktuuride terviklikkuse kontrollimist, keemiliste protsesside jälgimist suletud reaktorites või kitsaste ruumide uurimist tootmisseadmetes hoolduse eesmärgil.
Mikropatarei sees
Selle uuenduse südameks on tsink-õhk aku disain. See koosneb tsinkelektroodist, mis on ühendatud plaatinaelektroodiga, mõlemad on manustatud polümeerribasse, mis on valmistatud mikroelektroonikas tavaliselt kasutatavast materjalist SU-8. Õhus olevate hapnikumolekulidega kokkupuutel tsink oksüdeerub, vabastades elektronid, mis voolavad plaatinaelektroodile, tekitades seega elektrivoolu.
See geniaalne disain võimaldab akul toita erinevaid mikrorobotilise funktsionaalsuse jaoks olulisi komponente. Oma uurimistöös näitas MIT-i meeskond, et aku võib pingestada:
- Täiturmehhanism (robotkäsi, mis on võimeline tõstma ja langetama)
- Memristor (elektriline komponent, mis suudab salvestada mälestusi, muutes selle elektritakistust)
- Kellaahel (võimaldab robotitel aega jälgida)
- Kahte tüüpi keemilisi andureid (üks valmistatud aatomõhukesest molübdeendisulfiidist ja teine süsinik-nanotorudest)
Tulevikusuunad ja väljakutsed
Kuigi mikroaku praegused võimalused on muljetavaldavad, on käimasolevate uuringute eesmärk suurendada selle pingeväljundit, mis võib võimaldada täiendavaid rakendusi ja keerukamaid funktsioone. Meeskond tegeleb ka aku integreerimisega otse robotseadmetesse, liikudes kaugemale praegusest seadistusest, kus aku ühendatakse väliste komponentidega juhtme kaudu.
Meditsiinirakenduste puhul on kriitiline kaalutlus biosobivus ja ohutus. Teadlased näevad ette nende seadmete versioonide väljatöötamist, kasutades materjale, mis pärast nende ülesande täitmist organismis ohutult lagunevad. Selline lähenemine välistaks taastamise vajaduse ja vähendaks pikaajaliste tüsistuste riski.
Teine põnev suund on nende mikropatareide potentsiaalne integreerimine keerukamatesse robotsüsteemidesse. See võib kaasa tuua koordineeritud mikrorobotite sülemeid, mis suudavad lahendada suuremahulisi ülesandeid või pakkuda ulatuslikumat seire- ja sekkumisvõimet.
Alumine rida
MIT-i mikroskaala aku kujutab endast olulist edasiminekut autonoomse robootika valdkonnas. Rakusuurustele robotitele elujõulise toiteallika pakkumisega sillutab see tehnoloogia teed murrangulistele rakendustele meditsiinis, tööstuses ja mujal. Kuna teadusuuringud jätkavad selle uuenduse täiustamist ja laiendamist, seisame nanotehnoloogias uue ajastu lävel, mis tõotab muuta meie võimet suhelda ja maailmaga mikroskaalal manipuleerida.
