Микророботов заставили скользить по воде с помощью лазера

Инженеры из Бельгии и Франции разработали систему ThermoBot для демонстрации возможностей метода, который позволяет проводить манипуляции с микрообъектами и управлять микророботами, плавающими на поверхности воды с помощью инфракрасного лазера. В основе лежит эффект возникновения термокапиллярных конвекционных потоков в воде из-за изменения величины поверхностного натяжения при локальном нагреве (эффект Марангони). Луч лазера направляется в заданные точки вблизи объекта и генерирует в этих точках локальные потоки жидкости, которые приводят объект в движение. Варьируя мощность лазера, продолжительность нагрева и положение точки нагрева относительно объекта можно задавать направление и скорость его движения, а быстрые переключения луча между несколькими точками нагрева позволяют управлять движением по заданной траектории сразу нескольких микрообъектов одновременно. Кроме того, с помощью системы ThermoBot возможно осуществлять операции по микросборке миниатюрных устройств, говорится в статье, опубликованной в журнале Science Robotics.

В современном мире наблюдается тенденция к уменьшению размеров устройств. Это касается и робототехники. Инженеры уже давно работают над созданием микророботов для применения в различных областях. Например, в медицине среди возможных вариантов использования можно назвать малоинвазивную хирургию, позволяющую проводить операции с помощью микроинструментов с минимальными повреждениями окружающих тканей, адресную доставку лекарственных средств к пораженным органам и тканям и манипуляцию отдельными клетками.

Малые размеры микророботов накладывают ограничения на их возможности, так как для размещения систем управления, источников питания, актуаторов и полезной нагрузки непосредственно на борту просто не хватает места. Поэтому зачастую используют внешние способы приведения в движение и управления, например, магнитное поле. С его помощью можно управлять движением сразу нескольких микророботов одновременно, однако так как магнитное поле воздействует на все объекты, находящиеся поблизости, это может значительно усложнить манипулирование отдельными объектами или их элементами. 

Инженеры из Брюссельского свободного университета и института FEMTO-ST из Франции под руководством Франко Пиньян Басуальдо (Franco Piñan Basualdo) разработали систему управления, названную ThermoBot,  которая подходит для манипуляций микрообъектами и микророботами, находящимися на границе раздела водной поверхности и воздуха. Система позволяет точно управлять положением, скоростью и ориентацией микрообъектов с помощью инфракрасного лазера и индцуируемых им возле поверхности воды термокапиллярных потоков.

В основе метода лежит эффект капиллярной конвекции Марангони, который представляет собой явление переноса вещества вдоль границы раздела двух сред при наличии градиента поверхностного натяжения. Нагрев инфракрасным лазером водной поверхности приводит к уменьшению поверхностного натяжения в этой области, из-за чего жидкость отсюда «стягивается» к более холодным областям, так как там поверхностное натяжение выше. Процесс затрагивает не только поверхность, но и слои жидкости, расположенные на некоторой глубине, образуя конвективные ячейки. Таким образом с помощью лазера, направленного в заданные точки, можно генерировать локальные капиллярные потоки, которые будут толкать объекты на поверхности воды в заданном направлении.

Установка для проверки возможностей метода состоит из резервуара, заполненного дистиллированной водой, толщина слоя которой составляет 8 миллиметров, над которым располагается подвижное зеркало, которое с помощью пьезоэлектрических элементов способно отклонять падающий на него луч лазера в рамках рабочей области 80 на 80 миллиметров. Длина волны  инфракрасного лазера 1455 нанометров, а ширина пучка около 1.3 миллиметров. Мощность лазера можно изменять в пределах от 20 до 150 милливатт. Контроль за положением пятна лазера и траекторией движения микрообъектов на поверхности воды осуществляется с помощью камеры, расположенной над рабочей поверхностью.

С помощью подвижного зеркала оказалось возможным эффективно переключать луч между пятью точками, что позволяет контролировать движение нескольких объектов одновременно. Это число связано со скоростью поворота применявшегося зеркала и может быть увеличено в будущем. В испытаниях разработчики смогли одновременно управлять движением по заданным траекториям (фигуры Лиссажу) до четырех микросфер диаметром 0.5 миллиметров со средней ошибкой в 0.2 миллиметра, а также манипулировать положением и направлением движения микроплатформы с четырьмя «ногами», вес которой превосходит вес микросфер в 50 раз. Для этого луч лазера подсвечивал области вблизи определенных "ног" платформы, заставляя ее поворачивать и двигаться в нужном направлении.  

В другом эксперименте была продемонстрирована возможность использовать метод для направленной сборки составных микроконструкций из отдельных элементов. Для этого небольшие пластины сложной формы из кварцевого стекла были соединены вместе наподобие паззла. В испытаниях при наибольшей мощности лазера удалось достигнуть скорости объектов 12 миллиметров в секунду или 24 длин тела в секунду, при этом нагрев воды составил всего 5 кельвин, что по словам инженеров, означает что их метод можно использовать, например, для манипуляций с чувствительной к нагреву микроэлектроникой.

Авторы работы указывают, что построенная ими платформа, это пока всего лишь проверка работоспособности метода, который на данный момент не лишен недостатков. К примеру, работа на водной поверхности ограничивает манипуляции двумя измерениями, а используемое ими зеркало позволяет получить только пять точек нагрева. Однако авторы планируют улучшить оптическую систему, чтобы увеличить число возможных лазерных точек и получить другие паттерны засветки поверхности, что позволит создавать потоки более сложной формы. Они считают, что платформа ThermoBot имеет большие перспективы, особенно в области микросборки и в будущем ее можно будет использовать для сборки микророботов и других манипуляций с микрообъектами.

Ранее мы рассказывали о миниатюрных роботах, построенных с применением техники оригами – японского искусства складывания фигурок из бумаги, благодаря чему устройства могут трансформироваться, сгибаясь из плоских листов в сложные трехмерные конструкции.

Андрей Фокин