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微米尺寸機器人,在生物體內遊走,動力來源是什麼?

如果現在要設計一個超小機器人,可以在人體的體液(血液,關節滑液囊,眼球液)內遊走,做些事情。那麼,這個小機器裝置,該怎麼設計呢?首先,我們會想到動力問題,再來是這個裝置的結構和功能。因為體積要非常小,要找到零件來組裝是幾乎不可能的,所以設計越簡單越好。當然,更不要說要有電池了。這種狀況下,這個小機器人要怎麼控制它的方向呢? 要它前進後退,該怎麼設計呢?

因為小,一定要超簡單設計

設計要簡單,我們可以假設就是簡單的張開閉合,這種運動。就像貝類這樣。大部分人可能吃過貝類,但沒看過貝類游泳。不過,有沒有想過類似貝類或者一些纖毛甚或是鞭毛運動的微生物,在充滿液體的環境,是怎麼移動的呢?其實它們的移動,就是靠不同的運動模式,在過程中對環境介質給予一個推力,造成一個反作用力。例如說貝類在水中移動,兩片殼慢慢張開再快速關起來。在兩片殼關起來的時候,會把液體擠出貝殼,利用這個噴水的動量,推動自己前進。物理告訴我們,在水中,如果只是張合運動,沒有給環境一個推力,物體只會在原地前後運動。水的黏滯性,不會因為作用的剪切力而改變。這種液體稱作牛頓流體(Newtonian Fluid)。但是,生物體的體液,屬於非牛頓流體(Non-Newtonian Fluid),也就是它們的黏性會隨著擾動液體的剪切力而改變。在這種狀況,張合運動有沒有可能讓物體前進呢?

生物體液和水的不同特性

例如說,如果用杯子裝著血液(血液是剪切減黏流體,shear thinning),用攪拌棒慢速攪拌的黏稠力會比快速攪拌時來得大。反之,也有一些液體的特性恰恰相反,當攪拌力越大,黏性越強(剪切增黏流體,shear thickening)。

微米機器人的結構

在賓士轎車與保時捷跑車的故鄉, 德國斯圖加特的一流研究機構–馬克斯-普朗克智慧系統研究所的科學家,就非牛頓流體(水屬於牛頓流體)的特性,設計了一款寬度只有300微米(μm)的超小機器人。這樣小的裝置,研究團隊利用了3D列印和微模成型技術來製作。這個裝置正是像貝殼般的裝置,左右兩片類似貝殼的設計,中間有一個連結的結構。在兩片貝殼的末端,裝有磁鐵。磁鐵的N極朝向貝殼的內側,S極朝向外側。這樣小的結構在液體中,可以利用外加的電場,來控制這兩片貝殼的開合。當然,利用電場增加和降低的速度,開合速度也可以控制。初始狀態,貝殼是張開的,這時候施加電場,讓貝殼快速關起來,再把電場釋放,貝殼會慢慢回復原型,也就是張開。這個張開的速度,就依據電場釋放的速度而不同。

微米尺寸的貝類設計機器人

微米尺寸的機器人,可以在生物體液內行走,不需要電池。Credit: Max Planck Institute for Intelligent Systems in Stuttgart, IEEE Spectrum(Image: Alejandro Posada/MPI-IS)

利用生物體液的特性,讓機器人前進

以剪切增黏的液體為例,如果貝殼關起的速度很快,這時候貝殼內側的液體黏性超大,而外側週圍和前端則相對小,所以貝殼有一個前進的力;當貝殼慢慢張開,這時背殼內外的黏性都相對小。也就是貝殼快速關起來時前進的距離,大於慢慢張開時後退的距離。反覆的作用之後,就有個真實的移動。這好比是貝殼在快速合起來的時候,因為內側液體黏性增加,如同夾到一個硬物,合力使貝殼往前端推進。

這項裝置的設計和驗證,都相當有意思。特別是針對生物的體液特性來做設計。未來的應用,還有待開發。

文章參考:IEEE Spectrum
影片來源:IEEE Spectrum
圖片來源:IEEE Spectrum(Image:Alejandro Posada/MPI-IS);kennymatic CC BY 2.0
原文刊載:Nature Communications

 

 

 

 

 


作者簡介

BioMeder

生醫人網摘的編輯。熱愛創新和用腦袋的事物,堅持文章一定要有邏輯性,藉由追蹤報導生醫領域的創新和應用來傳播知識。