Диоды разгоняют микроботов в солёной воде

Кто из нас не грезит о миниатюрных роботах, которые излечат человечество от всех болезней? Да, мечтают многие. Ещё мы слышали, что микромашинки в будущем смогут исследовать труднодоступные места нашей и других планет, выполнять целую кучу полезных функций. Так возрадуемся же — сделан ещё один маленький шажок к воплощению мечты.

Итак, команда химиков под руководством Орлина Велева (Orlin Velev) из университета Северной Каролины (North Carolina State University) совместно с британцем Весселином Пановым (Vesselin Paunov) из университета Халла (University of Hull) обнаружили, что исследовать человеческое тело микророботам позволят самые обыкновенные диоды.

 

 

Чтобы создать действующую модель микроробота, необходимо преодолеть две основные преграды: отсутствие движущей силы (направляющей устройство внутри человеческого тела) и нехватку источника энергии для механизмов такого размера (они слишком малы, чтобы нести на себе батарейки).

Ранее для движения микроботов предлагались самые различные технологические решения (с помощью магнитного поля, ультразвука и даже пероксида водорода, как в ракетной технике), но все они на пути к воплощению в реальность натолкнулись на серьёзные барьеры.

Полупроводниковый диод длиною 1 миллиметр в солёной воде над размеченным на квадраты дном чашки Петри. При включении горизонтального электрического поля он начинает двигаться влево (фото Velev Research Group).

Технология, которую разработали вышеозначенные учёные мужи, позволяет поставлять энергию микроботам извне. Кроме того, опустив обыкновенный диод в сосуд с солёной водой и включив переменное электрическое поле, они решили проблему движущей силы.

Суть изобретения в следующем: внешнее переменное электрическое поле индуцирует в диоде ток определённого направления. Ток, в свою очередь, создаёт электрическое поле между контактами диода, и устройство начинает перемещаться.

В основе такого движения лежит явление электроосмоса. Поле, возникающее между контактами диода, ускоряет ионы (которых в солёной воде превеликое множество) в одном направлении и, как следствие, диод движется в противоположном. "Мы достигли скоростей в несколько миллиметров в секунду", — радуется Велев.

	А вот этот прототип будущего микроробота умеет ходить со скоростью 1 миллиметр в секунду и нести на себе груз, превышающий свой собственный в 50 раз (фото с сайта comsol.com).

Более того — химики соединили несколько диодов в кольцо, которое вращается под действием электрического поля. "Подобное устройство, закреплённое на стенке канала жидкости, можно использовать в микрожидкостных устройствах в качестве нагнетателя потока", — рассказывает Велев в своей статье в журнале Nature Materials.

Всё бы хорошо, да только микроботы, которые смогут работать внутри человеческого тела, по размеру должны быть как минимум на порядок меньше, чем просто-таки "огромные" миллиметровые диоды, использованные этой группой учёных.

К тому же, как известно из курса гидродинамики, чем меньше размеры объекта, тем более вязкой становится для него среда (представьте себя букашкой, которая попала в банку с мёдом).

Вторую проблему ещё можно решить, так как можно предположить, что движущая сила, основанная на явлении электроосмоса, будет возрастать с увеличением вязкости среды. А вот первую?

Создатели этого микроробота утверждают, что он похож на паука (фото с сайта uco.es).

Другое препятствие, которое предстоит преодолеть учёным, состоит в том, что электроосмос проявляется только при высоких значениях pH (щелочная среда), когда в воде большое содержание ионов. Более того, при pH порядка 6 (нейтральная среда) диод вообще не сдвинется с места, поскольку возникает явление "нулевого сдвига".

В норме кровь человека является слабощелочной средой со значением pH в пределах 7,35—7,47, поэтому учёным придётся как-то доработать устройство, чтобы создать значительную движущую силу. Орлин считает, что эту проблему поможет решить полимерное покрытие диода, которое позволит переместить pH "нулевого сдвига" в область более кислых (меньших) значений.

Гарет Маккинли (Gareth McKinley), инженер-механик Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology), считает, что данная разработка найдёт применение в любом случае. В частности, внешнее электрическое поле может питать находящиеся на микроботах сенсоры, регистрирующие, например, pH или температуру. Возможно, что оно даже сможет питать некие логические устройства, которые будут принимать решения в зависимости от полученных сенсорами данных.

	Орлин Велев ещё и успевает читать лекции (фото Velev Research Group).

Группа Велева продемонстрировала эксперимент (WMV-файл, 600 килобайтов), в котором на стандартный диод укрепляется диод светоиспускающий. Таким образом им удалось различить двигающихся роботов по цвету светодиодов.

К тому же подобное совмещение различных типов диодов позволяет независимо контролировать разных микророботов. Если посветить лазером на фотодиод, совмещённый с диодом-двигателем определённого робота, то робот фактически выключится и остановится (вследствие компенсации токов), в то время как остальные продолжат движение (смотрите ролик — WMV-файл, 1,9 мегабайта; все остальные видеоролики вы найдёте на этой странице).

В общем, задумок много, и даже есть идеи, как их реализовать. Но если большинство "больших дядь" подумывает сейчас о том, как микромеханизмы будут путешествовать по нашим внутренностям, "починяя" организм, "большие дети" наверняка представляют, как сделают из нового изобретения игрушку с гонками оравы микроскопических аппаратов внутри настольного аквариума-лабиринта.

Статья о науки и техники получена: Membrana.ru