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2024-12-02 15:41:00
コーネル大学の物理学と工学の研究者が、これまでで最小の歩行ロボットを開発した。その使命は、可視光の波と相互作用できるほど小さくても独立して移動できるようにすることで、特定の場所 (組織サンプルなど) に移動して、画像を撮影し、身体の一部のスケールで力を測定できるようにすることです。最小の構造物。
「光と相互作用して光を形作るのに十分なほど小さい歩行ロボットは、顕微鏡のレンズを効果的に取り出して、それをミクロの世界に直接置きます」と彼は言いました。 ポール・マキューエン、チームを率いたのは、芸術科学大学（A&S）のジョン・A・ニューマン物理科学名誉教授です。 「通常の顕微鏡では決して不可能な方法で、近接イメージングを実行できます。」
チームの論文「磁気的にプログラムされた回折ロボット工学」は、McEuen を責任著者として、Science 誌に 11 月 28 日に掲載されました。 コンラッド・スマート、コーネル大学原子・固体物理学研究所 (LASSP) の研究者、タナー・ピアソン博士。 ’22らはこの研究の共同筆頭著者である。
コーネル大学の科学者らはすでに、40～70ミクロンという世界最小の歩行ロボットの世界記録を保持している。
新しい回折ロボットは「その記録を水から吹き飛ばすだろう」と彼は言った Itai Cohen、物理学教授 (A&S) であり、研究の共著者でもあります。 「これらのロボットは 5 ミクロンから 2 ミクロンです。小さいんです。そして、彼らの動きを駆動する磁場を制御することで、彼らに望むことを何でもさせることができます。」
回折ロボット工学は、可視光の回折 (開口部や何かの周囲を通過するときの光波の曲がり) に依存するイメージング技術と、繋がれていないロボットを初めて接続します。イメージング技術では、光の波長に匹敵するサイズの開口部が必要です。光学系が機能するには、ロボットがそのスケールでなければならず、ロボットが画像化するターゲットに到達するには、ロボットが自力で移動できなければなりません。コーネル大学のチームは両方の目標を達成しました。
物理学教授イタイ・コーエン氏、物理科学棟の研究室にて。
ロボットは、挟み込み動作を行う磁石によって制御され、固体表面上を尺取り虫のように前進することができます。同じ動作を使用して流体中を「泳ぐ」こともできます。
研究者らは、操作性、柔軟性、サブ回折光学技術の組み合わせにより、ロボット工学の分野に大きな進歩がもたらされると述べた。
「マイクロロボット工学とマイクロ光学技術の融合に本当に興奮しています」と共著者は語る フランチェスコ・モンティコーネコーネルエンジニアリングの電気工学およびコンピュータ工学の准教授であり、光学回折素子を設計し、チームがアプリケーションを特定するのを支援しました。 「ロボット工学の小型化は、ついに、これらの作動機械システムが、わずか数波長（1 メートルの 100 万分の 1）のスケールで光と相互作用し、能動的に光を形作ることができる段階に達しました。」
この規模でロボットを磁気的に駆動するために、研究チームは、材料の体積は同じだが、長くて細い、または短くてずんぐりした 2 つの異なる形状を持つ数百のナノメートルスケールの磁石でボットをパターン化しました。コーエン氏によると、このアイデアは復旦大学の物理学者ジザイ・クイ氏が発案したものだという。
「長くて細いものは、ある方向を向いている状態から別の方向を向いている状態に切り替えるために、より大きな磁場を必要としますが、短くてずんぐりしたものはより小さな磁場を必要とします」とコーエン氏は述べた。 「つまり、大きな磁場を適用するとそれらをすべて整列させることができますが、より小さな磁場を適用すると、短くて太いものだけが反転することになります。」
コーネル大学の科学者たちは、この原理とコーネル大学ナノスケール科学技術施設で発明された非常に薄いフィルムを組み合わせてロボットを作成しました。
光学工学の主な課題の 1 つは、この特定のプラットフォーム向けに、光の調整、焦点合わせ、超解像度イメージングという 3 つのタスクに最適なアプローチを見つけ出すことでした。なぜなら、「アプローチが異なれば、マイクロロボットがどのように機能するかに応じて、パフォーマンスのトレードオフも異なります。」動いて形を変えるのです」とモンティコーネ氏は語った。
コーエン氏は、結像を向上させるために回折要素を機械的に移動できることには利点があると述べた。ロボット自体を回折グレーディングとして使用したり、回折レンズを追加したりできます。このようにして、ロボットは上から見下ろす顕微鏡レンズの局所的な拡張として機能することができます。
ロボットたち 歩いて構造物を押すのと同じ磁石駆動のつまむ動作を使用して力を測定します。
「これらのロボットは非常に従順なバネです。そのため、何かがロボットを押すと、ロボットが圧迫される可能性があります」とコーエン氏は語った。 「それにより回折パターンが変化し、それを非常にうまく測定できるようになります。」
力の測定と光学的能力は、DNAの構造の探索などの基礎研究に応用できると研究者らは述べた。あるいは、臨床現場に導入される可能性もあります。
「将来に目を向けると、回折マイクロボットの群れがサンプルの表面を歩きながら超解像度顕微鏡やその他のセンシングタスクを実行する様子が想像できます」とモンティコーン氏は語った。 「私たちは、ロボット工学と光学工学をマイクロスケールで融合させたこの新しいパラダイムで可能になることのほんの表面をなぞっただけだと思います。」
この研究に貢献した著者は、LAASP の博士研究員である Zexi Liang です。メロディ X. リム、コーネル大学カブリナノスケール科学研究所 (KIC) の実験研究員。モハメド・I・アブデルラーマン氏、コーネル・エンジニアリングの電気およびコンピュータ工学の博士課程の学生。
この研究は、コーネル材料研究センター、国立科学財団、コーネル ナノスケール科学技術施設によって実現されました。
ケイト・ブラックウッドは芸術科学大学のライターです。
#ミクロスケールの測定を行う最小の歩行ロボット