ベルギーとフランスのエンジニアは、赤外線レーザーを使用して水面に浮かぶマイクロオブジェクトの操作とマイクロロボットの制御を可能にする方法の機能を実証するためにThermoBotシステムを開発しました。これは、局所加熱中の表面張力の値の変化による水中の熱毛管対流の出現の影響（マランゴニ効果）に基づいています。レーザービームは、オブジェクトの近くの指定されたポイントに向けられ、これらのポイントで局所的な流体の流れを生成します。これにより、オブジェクトが動き始めます。レーザー出力、加熱時間、およびオブジェクトに対する加熱ポイントの位置を変更することにより、その移動の方向と速度を設定でき、複数の加熱ポイント間でのビームの高速切り替えにより、に沿った移動を制御できます。同時に複数のマイクロオブジェクトの軌道が与えられます。さらに、Science Robotics誌に掲載された記事によると、ThermoBotシステムを使用すると、ミニチュアデバイスのマイクロアセンブリの操作を実行できます。
現代の世界では、デバイスのサイズを縮小する傾向があります。これはロボット工学にも当てはまります。エンジニアは、さまざまな分野で使用するためのマイクロロボットの作成に長い間取り組んできました。たとえば、医学では、考えられる用途の中には、低侵襲手術と呼ぶことができます。これにより、周囲の組織への損傷を最小限に抑えたマイクロインスツルメントによる手術、影響を受けた臓器や組織への薬物の標的化送達、および個々の細胞の操作が可能になります。
マイクロロボットのサイズが小さいと、制御システム、電源、アクチュエータ、およびペイロードを直接搭載するのに十分なスペースがないため、機能に制限が課せられます。したがって、駆動と制御の外部方法、たとえば磁場がよく使用されます。その助けを借りて、同時に複数のマイクロロボットの動きを制御することが可能ですが、磁場は近くのすべてのオブジェクトに影響を与えるため、これは個々のオブジェクトまたはその要素の操作を大幅に複雑にする可能性があります。
ブリュッセル自由大学とフランスのFEMTO-ST研究所のエンジニアは、FrancoPiñanBasualdoが率いる、ThermoBotと呼ばれる制御システムを開発しました。これは、水と空気の境界にあるマイクロオブジェクトやマイクロロボットの操作に適しています。 。このシステムでは、赤外線レーザーと水面近くで画像化された熱毛管流を使用して、微小物体の位置、速度、向きを正確に制御できます。
ThermoBotシステムの設計
ThermoBotを使用して個々のピースからマイクロパズルを組み立てる
この方法は、表面張力勾配の存在下で2つの媒体間の界面に沿って物質が移動する現象であるマランゴーニ毛細管対流効果に基づいています。赤外線レーザーによる水面の加熱は、この領域の表面張力の低下につながります。これにより、表面張力が高いため、液体がここから低温の領域に「引き込まれ」ます。このプロセスは、表面だけでなく、特定の深さにある液体の層にも影響を及ぼし、対流セルを形成します。したがって、特定のポイントに向けられたレーザーを使用して、水面上のオブジェクトを特定の方向に押す局所的な毛細管の流れを生成することが可能です。
この方法の能力をテストするための設備は、蒸留水で満たされたタンクで構成され、その層の厚さは8ミリメートルであり、その上に可動ミラーが配置され、圧電素子の助けを借りて、入射を偏向させることができます80×80ミリメートルの作業領域内のレーザービーム。赤外線レーザーの波長は1455ナノメートル、ビーム幅は約1.3ミリメートルです。レーザー出力は20から150ミリワットまで変えることができます。レーザースポットの位置と水面上の微小物体の動きの軌跡の制御は、作業面の上に配置されたカメラを使用して実行されます。
可動ミラーの助けを借りて、ビームを5点間で効果的に切り替えることが可能であることが判明しました。これにより、複数のオブジェクトの動きを同時に制御することが可能になります。この数値は、使用するミラーの回転速度に関連しており、将来的に増加する可能性があります。テストでは、開発者は、直径0.5 mm、平均誤差0.2 mmの最大4つのミクロスフェアまでの所定の軌道（リサージュ図形）に沿った動きを同時に制御し、動きの位置と方向を操作することができました。 4つの「脚」を備えたマイクロプラットフォーム。その重量はミクロスフェアの重量を50倍上回っています。これを行うには、プラットフォームの特定の「脚」の近くの領域をレーザービームで照らし、プラットフォームを回転させて目的の方向に移動させます。
別の実験では、個々の要素から複合微細構造を直接組み立てるための方法を使用する可能性が実証されました。これを行うために、石英ガラスで作られた複雑な形状の小さなプレートがパズルのように一緒に接続されました。最高のレーザー出力でのテストでは、毎秒12ミリメートルまたは毎秒24体長の物体の速度を達成することができましたが、給湯はわずか5ケルビンでした。これは、エンジニアによると、彼らの方法ができることを意味します。たとえば、感熱性のマイクロエレクトロニクスを操作するために使用されます。
作業の著者は、彼らが構築したプラットフォームは、これまでのところ、メソッドの操作性のテストにすぎず、現時点では欠点がないわけではないと指摘しています。たとえば、水面での作業は操作を2次元に制限し、それらが使用するミラーでは5つの加熱ポイントしか取得できません。しかし、著者は、可能なレーザーポイントの数を増やし、より複雑な形状の流れの作成を可能にする他のパターンの表面照明を得るために、光学システムを改善することを計画しています。彼らは、ThermoBotプラットフォームは、特にマイクロアセンブリの分野で大きな展望を持っており、将来的には、マイクロロボットの組み立てやマイクロオブジェクトを使用したその他の操作に使用できると考えています。
先ほど、折り紙の技法を使って作られたミニチュアロボットについてお話しました。これは、紙のフィギュアを折りたたむ日本の芸術であり、平らなシートから複雑な3次元構造に折りたたむことでデバイスを変換できます。
