Совместная американо-китайская команда использует схлопывание пузырей для питания крошечных роботов и замены медицинских игл.
Типичное изображение пузырьковой кавитации от пропеллера.
Davidhv22/Wikimedia Commons
Совместная американо-китайская исследовательская группа разработала новую технологию, использующую лопание пузырьков в качестве потенциальной движущей силы для микроботов. Это открытие может привести к замене игл для введения лекарств и другим интересным приложениям.
В основе новой технологии лежит кавитация, или внезапное схлопывание пузырьков в жидкости. Используя высвобождающуюся при этом энергию, команда обнаружила, что может заставить крошечных роботов (так называемых «прыгунов») перемещаться на невероятные расстояния относительно их размера.
Вдохновленные тем, как папоротники рассеивают свои споры, а брызгуны выстреливают струями жидкости, они обнаружили, что могут генерировать собственные пузырьки, нагревая поглощающий свет материал лазером.
Эти пузырьки расширяются до тех пор, пока не перестают удерживать энергию, а затем резко схлопываются. Схлопывание высвобождает ударную волну механической энергии. Эта энергия, как выяснилось, достаточно мощна, чтобы поднять в воздух устройства миллиметрового размера на высоту до 1,5 метра.
Роботы также могут «плавать» со скоростью около 26,84 миль в час (12 метров в секунду). «Плавательные движения легко контролируются, что позволяет им ориентироваться в сложных замкнутых пространствах, таких как лабиринты и микрофлюидные каналы», — пояснили исследователи.
Лопающиеся пузырьки для замены игл
Это очень интересно, поскольку кавитация обычно считается разрушительным явлением (например, она повреждает корабельные винты и насосы). Тщательно контролируя лазерный нагрев (интенсивность, угол и время), исследователи могут определять направление запуска, высоту и силу прыжка, а также управлять тем, будет ли устройство прыгать, скользить или «плавать» в воде.
Новая технология интересна не только сама по себе: она может произвести революцию в некоторых областях, например, в медицине. Например, её можно использовать для создания новых медицинских инъекций и методов доставки лекарств.
В этом случае миниатюрные устройства, приводимые в движение кавитацией, можно будет запускать в кожу или через неё, потенциально заменяя иглы для подкожных инъекций. Они также смогут доставлять лекарства точно внутрь организма (например, непосредственно к опухоли).
Поскольку система использует нагрев, активируемый светом, её можно настроить для проведения минимально инвазивных процедур. Это важно, поскольку традиционные микророботы часто используют для движения магнитные поля или химическое топливо, которые сложно контролировать внутри организма.
С другой стороны, кавитация обеспечивает высокоэнергетическую, управляемую систему запуска, не требующую бортового питания или движущихся частей. Этот метод может также найти применение в исследовании объектов в ограниченном пространстве или суровых условиях.
Например, эти «прыгуны» могут перемещаться по влажным или неровным поверхностям, что предполагает их применение в микроробототехнике. Таким образом, они могли бы исследовать узкие или труднодоступные пространства (внутри труб, механизмов и даже биологических систем).
Еще многое предстоит сделать
Они также могут найти интересное применение в биомедицинских исследованиях. Крошечные роботы могли бы, например, действовать как микропловцы в жидких средах, таких как кровь или межклеточная жидкость.
Эта технология также может открыть интересные возможности в клеточной терапии или прецизионной хирургии, где обычные инструменты слишком велики или тупы. Важно отметить, что исследование всё ещё находится на стадии проверки концепции.
Точно контролировать кавитацию внутри человеческого тела (не повреждая близлежащие ткани) будет крайне сложно. Другая проблема заключается в том, что глубина проникновения лазеров в биологические ткани ограничена, поэтому для практического применения потребуются продуманные инженерные решения (например, волоконно-оптическая передача, инфракрасное излучение).
Биосовместимость материалов (композит из диоксида титана, полипиррола и карбида титана), используемых для этих «прыгунов», необходимо будет проверить до того, как проводить реальные испытания на живых животных, не говоря уже о людях.
«Наше исследование показывает, что кавитация может служить эффективным пусковым механизмом», — говорится в статье, опубликованной в рецензируемом журнале Science 28 августа.
Вы можете самостоятельно ознакомиться с исследованием в журнале Science.
Sourse: interestingengineering.com
