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Diese neuen Mikrobots werden ihren Weg durch Ihren Körper bahnen

Diese neuen Mikrobots werden ihren Weg durch Ihren Körper bahnen

Das Einsetzen eines Mikrobots in einen menschlichen Körper mit einem Akkupack kann von einem nützlichen Gerät zu einer gefährlichen Situation werden, wenn der Roboter jemals aufhört zu arbeiten. Aber was wäre, wenn Sie Batterien und Motoren vollständig eliminieren könnten? In den letzten Jahren haben Wissenschaftler magnetisch gesteuerte Mikroroboter perfektioniert. Die Steuerung mehrerer Roboter innerhalb desselben Magnetfelds hat sich jedoch als ziemlich schwierige Herausforderung erwiesen. Ein Ingenieurteam gab kürzlich bekannt, dass es ein magnetisches Gerät entwickelt hat, mit dem Mikrobots unabhängig betrieben werden können, obwohl sie sich unter demselben Magnetfeld befinden.

In Zukunft könnte die Technologie bei Operationen helfen, bei denen viele Mikrobots benötigt werden. Zusammen werden sie in der Lage sein, nicht-invasive therapeutische Operationen durchzuführen und präzisere lokale Arzneimittelabgabesysteme oder medizinische Implantate zu ermöglichen.

[Bildquelle: IEEE-Spektrum über Youtube]

Die Herausforderung

Es gibt ein inhärentes Problem bei der Steuerung von Robotern mit Magneten. Die Magnetfelder, die die Roboter steuern, beeinflussen die Bewegungen auf die gleiche Weise. Obwohl die Schwärme cool aussehen, wenn sie gemeinsam arbeiten, ist es eine schwierige Aufgabe, sie unabhängig zu steuern. Derzeit gibt es einige Methoden, mit denen einzelne Komponenten unabhängig voneinander gesteuert werden können schließenzueinander. Bisher gab es jedoch keine effiziente Methode, die dies kann selektiv Komponenten bedienen, die sind direkt danebengegenseitig.

Da eine der Hauptanwendungen die Unterstützung bei medizinischen Anwendungen sein wird, müssen die Roboter unabhängig durch die kleinen Kanäle und Passagen im menschlichen Körper navigieren. Bei vielen Operationen schneidet nur eine Mikromaschine nicht.

Die Aufgabe war bis jetzt viele Jahre lang verwirrend. Forscher haben kürzlich einen Artikel veröffentlicht, der ein neues Magnetsystem beschreibt, das selektiv identische Mikrobots steuern kann, die gerade sind Millimeter innerhalb des gleichen Magnetfeldes auseinander.

Entwerfen eines Systems zur Überwindung des Problems

Anstatt winzige Roboter mit in sich geschlossenen Antriebs- und Navigationssystemen zu verwenden, setzen die Roboter auf eine bemerkenswert elementarere Lösung. Ein Roboter, der durch Magnetismus ferngesteuert wird. Die Technologie zur Veränderung von Bauteilen innerhalb eines Magnetfeldes gibt es schon seit geraumer Zeit. Ohne ein direktes Stromversorgungssystem und mechanische Steuerungen können die Roboter viel kleiner gemacht werden.

Anstelle einer herkömmlichen Batterie und eines herkömmlichen Motors verlassen sich magnetisch betätigte Roboter ausschließlich auf Magnetismus für Antrieb und Manipulation. Die Roboter können aus viel weniger gefährlichen Bauteilen hergestellt werden. Gleichzeitig können sie dennoch genauso präzise navigieren wie batteriebetriebene Roboter.

Zuvor war der gesamte Roboter in einem magnetischen Umhang eingeschlossen, der die Position des Roboters verändert. Es bleibt jedoch die Frage, wie die Roboter einzeln gesteuert werden können. Ohne physische Verbindung erhält jeder Mikrobot eine ähnliche Eingabe und verhält sich auf die gleiche Weise. Um dieses Problem zu bekämpfen, haben die Forscher Jürgen Rahmer, Christian Stehning und Bernhard Gleich einen neuen Magnetfeldgenerator entwickelt, mit dem einzelne Mikrobots oder bestimmte Komponenten - auch solche innerhalb desselben Feldes - selektiv betrieben werden können.

Individuelle Steuerung von Mikrobots

Es gibt zwei Möglichkeiten, verschiedene Mikroroboter innerhalb desselben Feldes zu steuern. Erstens könnten Sie Komponenten unterschiedlicher Größe bauen, die in einem bestimmten Magnetfeld unterschiedlich wirken würden. Natürlich wären größere Schwärme schwierig herzustellen und der magnetische Eingang müsste ziemlich komplex sein. Alternativ gibt es, wie in den Arbeiten der Forscher beschrieben, eine Technik, bei der Magnetfelder verwendet werden, um selektiv mit bestimmten Komponenten zu interagieren.

Die Technik ist wirklich faszinierend. Die Art und Weise, wie die Forscher selektive Komponenten steuern, besteht nicht darin, die Objekte mit einem magnetischen Eingang anzuvisieren. Teile, die sich bewegen sollen, sind vielmehr von einem donutförmigen Magnetfeldloch umgeben, das als Freifeldpunkt (FFP). In der Mitte mehrfach ausgerichteter Magnetspulen treffen sich die Felder und bilden eine sehr niedriger Feldgradient. Anstatt auf Teile zu zielen, die sich bewegen sollten, übt das Magnetfeld eine Kraft auf alle Teile aus, die sich bewegen sollten nicht Bewegung. Alles, was sich nicht innerhalb des FFP befindet, wird durch den höheren Feldgradienten "verriegelt". Durch Einleiten eines leicht rotierenden Magnetfelds drehen sich dann die Dinge innerhalb (und nur innerhalb) des FFP.

Wie man Teile in verschiedene Richtungen dreht

Damit sich die Schrauben unabhängig drehen, müssen sich diejenigen, die sich bewegen sollen, innerhalb des FFP befinden. Schrauben, die sich außerhalb des FFP befinden, erhalten eine Magnetkraft, die sie zur Seite kippt, verhindert, dass sie sich drehen, wodurch das "Schloss" entsteht. In der Mitte kippt das Magnetfeld die Schraube nicht und lässt sie frei, um sich durch ein anderes Magnetfeld an Ort und Stelle zu drehen. Die Technologie ist noch weit davon entfernt, sie in einer realen Situation umzusetzen, aber sie ist eine beeindruckende Technologie. Trotzdem konnten die Wissenschaftler die Schrauben einzeln so nah wie möglich betätigen 3 Millimeterein Teil. Sobald sich die Technologie weiterentwickelt hat, kann sie möglicherweise Komponenten steuern, die noch näher beieinander liegen.

Eine Maxwell-Spule [links], im Wesentlichen ein Satz orthogonaler Spulen (dargestellt durch Ringe), erzeugt den FFP um die Mikroroboter. Das Gerät erzeugt ein Magnetfeld [rechts] mit einer Größe nahe Null in der Mitte. [Bildquelle:Yasutoshi Ishihara, Tsuyoshi Kuwabara und Naoki Wadamori]

Zukünftige Anwendungen

Die individuelle Betätigung bestimmter Komponenten ist eine unglaublich nützliche Technologie. Damit können mechanische Pumpen hergestellt werden, die keinen Strom in die Nähe der Flüssigkeit im Inneren bringen. Stattdessen könnte ein externer Mechanismus ein Pumpensystem individuell betreiben, indem er wählt, welche Pumpen gedreht und welche "gesperrt" werden sollen. Die Pumpen würden auch als Ventil dienen und die Möglichkeit bieten, den Durchfluss umzuleiten oder vollständig zu stoppen. Währenddessen würden keine gefährlichen Komponenten mit der Flüssigkeit in Kontakt kommen.

Mit der obigen Methode kann ein Mikrobot mit Kraftpaketen und Motoren unglaublich klein gemacht werden, da ihre Größe nicht als Einschränkung berücksichtigt werden muss. In Zukunft könnte das System möglicherweise komplexere Roboter steuern, die eine bestimmte Aufgabe ausführen können. Das System wird speziell bei der Behandlung von Tumoren nützlich sein. Mit dieser Methode hätten Roboter, die in den Körper eindringen, Schaltmechanismen, die unabhängig voneinander aktiviert werden. Die Roboter könnten radioaktive Medikamente oder andere Kapseln in den Blutkreislauf befördern. Die Aktivierungsvorrichtung würde jedoch nur über dem Tumor platziert. Sobald alle anderen Roboter ausgespült sind, werden nur diejenigen innerhalb des Magnetfelds des Geräts die Kapseln freisetzen.

Die neue Technologie wird zukünftigen magnetisch gesteuerten Robotern ein völlig neues Maß an Freiheit geben. In Kürze werden kleinere und komplexere Mikrobots in der Lage sein, Operationen im Körper mit großer Präzision durchzuführen, ohne dass gefährliche Materialien benötigt werden. Die Technologie ist noch weit entfernt. Aufgrund der täglichen Fortschritte ist es jedoch nur eine Frage der Zeit, bis magnetisch betätigte Roboter eine Komplexität erreichen, die sie in der realen Welt anwendbar macht.

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Geschrieben von Maverick Baker

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