Mikrobotyka
Mikrobotyka (lub mikrorobotyka ) to dziedzina robotyki miniaturowej , w szczególności robotów mobilnych o charakterystycznych wymiarach mniejszych niż 1 mm. Termin ten może być również używany w odniesieniu do robotów zdolnych do obsługi elementów o wielkości mikrometra.
Historia
Mikroboty narodziły się dzięki pojawieniu się mikrokontrolera w ostatniej dekadzie XX wieku i pojawieniu się układów mikroelektromechanicznych (MEMS) na krzemie, choć wiele mikrobotów nie wykorzystuje krzemu do budowy elementów mechanicznych innych niż czujniki. Najwcześniejsze badania i projekt koncepcyjny takich małych robotów przeprowadzono na początku lat 70. XX wieku w (wówczas) tajnych badaniach dla amerykańskich agencji wywiadowczych . Aplikacje przewidywane w tamtym czasie obejmowały jeńców wojennych pomoc ratownicza i elektroniczne misje przechwytujące. Podstawowe technologie wspierające miniaturyzację nie były wówczas w pełni rozwinięte, więc postęp w prototypów nie był natychmiastowy od tego wczesnego zestawu obliczeń i projektu koncepcyjnego. Od 2008 roku najmniejsze mikroroboty używają napędu zarysowania .
Rozwój połączeń bezprzewodowych , zwłaszcza Wi-Fi (czyli w sieciach domowych ) znacznie zwiększył możliwości komunikacyjne mikrobotów, a co za tym idzie ich zdolność do koordynowania z innymi mikrobotami wykonywania bardziej złożonych zadań. Rzeczywiście, wiele ostatnich badań skupiało się na komunikacji mikrobotów, w tym rój 1024 robotów na Uniwersytecie Harvarda , który składa się w różne kształty; i produkcji mikrobotów w SRI International dla programu DARPA „MicroFactory for Macro Products”, w ramach którego można budować lekkie konstrukcje o wysokiej wytrzymałości.
Mikroboty zwane ksenobotami zostały również zbudowane przy użyciu tkanek biologicznych zamiast metalu i elektroniki. Ksenoboty unikają niektórych komplikacji technologicznych i środowiskowych tradycyjnych mikrobotów, ponieważ są samozasilające, biodegradowalne i biokompatybilne.
Definicje
Podczas gdy przedrostek „mikro” był używany subiektywnie w znaczeniu „mały”, standaryzacja na skalach długości pozwala uniknąć nieporozumień. Tak więc nanorobot miałby charakterystyczne wymiary na poziomie 1 mikrometra lub poniżej lub manipulowałby komponentami w zakresie wielkości od 1 do 1000 nm. [ potrzebne źródło ] Mikrorobot miałby charakterystyczne wymiary mniejsze niż 1 milimetr, millirobot miałby wymiary mniejsze niż cm, minirobot miałby wymiary mniejsze niż 10 cm (4 cale), a mały robot miałby wymiary mniejsze niż 100 cm (39 cali). [ potrzebne źródło ]
Wiele źródeł opisuje również roboty większe niż 1 milimetr jako mikroboty lub roboty większe niż 1 mikrometr jako nanoboty.
Rozważania projektowe
Sposób poruszania się mikrorobotów jest funkcją ich przeznaczenia i niezbędnej wielkości. W rozmiarach submikronowych świat fizyczny wymaga raczej dziwacznych sposobów poruszania się. Liczba Reynoldsa dla robotów latających jest mniejsza od jedności; siły lepkości dominują nad siłami bezwładności , więc „latanie” mogłoby wykorzystywać lepkość powietrza, a nie zasadę siły nośnej Bernoulliego . Roboty poruszające się w płynach mogą wymagać obracania wici , tak jak ruchoma forma E. coli . Hopping jest cichy i energooszczędny; pozwala robotowi pokonywać powierzchnie różnych terenów. Pionierskie obliczenia (Solem 1994) badały możliwe zachowania w oparciu o fizyczne realia.
Jednym z głównych wyzwań przy opracowywaniu mikrorobota jest osiągnięcie ruchu przy bardzo ograniczonym zasilaniu . Mikroroboty mogą korzystać z małego, lekkiego baterii , takiego jak ogniwo pastylkowe, lub mogą pobierać energię z otaczającego środowiska w postaci wibracji lub energii świetlnej. Mikroroboty wykorzystują teraz również silniki biologiczne jako źródła zasilania, takie jak wiciowce Serratia marcescens , do pobierania energii chemicznej z otaczającego płynu w celu uruchomienia robota. Te bioroboty mogą być bezpośrednio kontrolowane przez bodźce, takie jak chemotaksja lub galwanotaksja z kilkoma dostępnymi schematami sterowania. Popularną alternatywą dla wbudowanej baterii jest zasilanie robotów za pomocą energii indukowanej z zewnątrz. Przykłady obejmują wykorzystanie pól elektromagnetycznych, ultradźwięków i światła do aktywacji i sterowania mikrorobotami.
Badanie z 2022 r. Koncentrowało się na podejściu fotobiokatalitycznym do „projektowania mikrorobotów napędzanych światłem do zastosowań w mikrobiologii i biomedycynie”.
Rodzaje i zastosowania
Ze względu na swój mały rozmiar mikroboty są potencjalnie bardzo tanie i mogą być używane w dużych ilościach ( robotyka roju ) do eksploracji środowisk, które są zbyt małe lub zbyt niebezpieczne dla ludzi lub większych robotów. Oczekuje się, że mikroboty będą przydatne w takich zastosowaniach, jak poszukiwanie ocalałych w zawalonych budynkach po trzęsieniu ziemi czy czołganie się przez przewód pokarmowy. To, czego mikrobotom brakuje w sile mięśni lub mocy obliczeniowej, mogą nadrobić dużą liczbą, na przykład rojami mikrobotów.
Potencjalne zastosowania z zademonstrowanymi prototypami obejmują:
Mikroboty medyczne
.png)
Biohybrydowe mikropływacze, składające się głównie ze zintegrowanych siłowników biologicznych i syntetycznych nośników ładunku, ostatnio okazały się obiecujące w zakresie minimalnie inwazyjnych zastosowań teranostycznych . Różne mikroorganizmy, w tym bakterie, mikroalgi i plemniki , zostały wykorzystane do wytworzenia różnych mikropływaków biohybrydowych o zaawansowanych funkcjach medycznych, takich jak autonomiczna kontrola z bodźcami środowiskowymi do celowania, nawigacja przez wąskie szczeliny i gromadzenie się w nekrotycznych obszarach środowisk nowotworowych. Sterowalność syntetycznych nośników ładunku z polami zewnętrznymi o dużym zasięgu, takimi jak pola akustyczne lub magnetyczne, oraz wewnętrznymi zachowaniami taksówek biologicznych siłowników wobec różnych bodźców środowiskowych, takich jak chemoatraktanty , pH i tlen sprawiają, że mikropływacze biohybrydowe są obiecującym kandydatem do szerokiego zakresu zastosowań związanych z dostarczaniem aktywnych ładunków medycznych.
Na przykład istnieją biokompatybilne mikroroboty na bazie mikroalg do aktywnego dostarczania leków do płuc i przewodu pokarmowego oraz sterowane magnetycznie mikroboty bakteryjne do „precyzyjnego namierzania” w walce z rakiem , które wszystkie zostały przetestowane na myszach.
Zobacz też
| Główne artykuły |  |
|
|---|---|---|
| typy | ||
| Klasyfikacje | ||
| Lokomocja | ||
| Badania | ||
| Powiązany | ||
