צוות חוקרים מאוניברסיטת קורנל יצר מחלקה חדשה של רובוטים מיקרוסקופיים (מיקרובוטים) הנשלטים מגנטית הפועלים על גבול עקיפות האור הנראה. מכונים רובוטים עקיפים, מיקרובוטים אלה יכולים לקיים אינטראקציה עם גלי אור נראה ועדיין לנוע באופן עצמאי, כך שהם יכולים לתמרן למקומות ספציפיים כדי לצלם תמונות ולמדוד כוחות בקנה מידה של כמה מהמבנים הקטנים ביותר של הגוף.
רובוט עקיף. קרדיט תמונה: חכםet al., doi: 10.1126/science.adr2177.
רובוטיקה עקיפה מחברת, לראשונה, רובוטים לא קשורים עם טכניקות הדמיה התלויות בדיפרקציה של אור נראה - כיפוף של גל אור כשהוא עובר דרך פתח או סביב משהו.
טכניקת ההדמיה דורשת פתח בגודל השווה לאורך הגל של האור.
כדי שהאופטיקה תעבוד, רובוטים חייבים להיות בקנה מידה כזה, וכדי שהרובוטים יגיעו ליעדים לצילום, הם צריכים להיות מסוגלים לנוע בעצמם.
הנשלטים על ידי מגנטים המבצעים תנועת צביטה, הרובוטים יכולים להתקרב קדימה על משטח מוצק. הם יכולים גם 'לשחות' דרך נוזלים תוך שימוש באותה תנועה.
השילוב של יכולת תמרון, גמישות וטכנולוגיה אופטית תת-דיפרקטיבית יוצרים התקדמות משמעותית בתחום הרובוטיקה.
"רובוט מהלך שהוא קטן מספיק כדי לקיים אינטראקציה עם אור ולעצב אותו ביעילות, לוקח את עדשת המיקרוסקופ ומכניס אותה ישירות לעולם המיקרו", אמר פרופסור פול מקיואן מאוניברסיטת קורנל.
"הוא יכול לבצע הדמיה מקרוב בדרכים שמיקרוסקופ רגיל לא יכול היה."
"הרובוטים האלה הם בין 2 ל-5 מיקרון. הם קטנטנים. ואנחנו יכולים לגרום להם לעשות מה שאנחנו רוצים על ידי שליטה בשדות המגנטיים המניעים את תנועותיהם".
"אני ממש נרגש מההתכנסות הזו של מיקרורובוטיקה ומיקרואופטיקה", אמר ד"ר פרנצ'סקו מונטיקון מאוניברסיטת קורנל.
"המזעור של הרובוטיקה הגיע סוף סוף לנקודה שבה מערכות מכאניות הפעלה אלו יכולות ליצור אינטראקציה עם אור ולעצב אותו באופן פעיל בקנה מידה של אורכי גל בודדים בלבד - פי מיליון קטן ממטר."
כדי להניע רובוטים בצורה מגנטית בקנה מידה זה, הצוות עיצב את הרובוטים במאות מגנטים בקנה מידה ננומטרי בעלי נפח שווה של חומר אך שתי צורות שונות - ארוכים ודקים, או קצרים וקשוחים.
"הארוכים והדקים זקוקים לשדה מגנטי גדול יותר כדי להפוך אותם מהצבעה אחת לכיוון השני, בעוד שהקצרים והקשוחים צריכים שדה קטן יותר", אמר פרופסור איתי כהן מאוניברסיטת קורנל.
"זה אומר שאתה יכול להפעיל שדה מגנטי גדול כדי ליישר את כולם, אבל אם אתה מפעיל שדה מגנטי קטן יותר, אתה הופך רק את הקצרים והקשוחים."
כדי ליצור את הרובוטים, שילבו המחברים את העיקרון הזה עם סרטים דקים מאוד.
"אחד האתגרים העיקריים של הנדסה אופטית היה למצוא את הגישה המתאימה ביותר לשלוש משימות - כוונון אור, מיקוד והדמיה ברזולוציית על - עבור הפלטפורמה הספציפית הזו, מכיוון ש"לגישות שונות יש פשרות שונות בביצועים בהתאם לאופן שבו המיקרורובוט יכול לזוז ולשנות צורה", אמר ד"ר מונטיקון.
"יש יתרון ביכולת להזיז באופן מכני את האלמנטים המתפצלים על מנת לשפר את ההדמיה", אמר פרופסור כהן.
הרובוט עצמו יכול לשמש כדירוג עקיפה, או להוסיף עדשת עקיפה. בדרך זו, הרובוטים יכולים לפעול כהרחבה מקומית של עדשת המיקרוסקופ המביטה מלמעלה מלמעלה.
הרובוטים מודדים כוחות באמצעות אותה תנועת צביטה מונעת מגנט המאפשרת להם ללכת כדי לדחוף נגד מבנים.
"הרובוטים האלה הם קפיצים מאוד תואמים. אז כשמשהו דוחף אותם, הרובוט יכול להידחק", אמר פרופסור כהן.
"זה משנה את דפוס העקיפה, ואנחנו יכולים למדוד את זה די יפה."
יכולות מדידת כוח ויכולות אופטיות מיושמות במחקר בסיסי, כמו בחקר מבנה ה-DNA; או שהם עשויים להיות פרוסים בסביבה קלינית.
"במבט לעתיד, אני יכול לדמיין נחילי מיקרובוטים עקיפים שמבצעים מיקרוסקופיה ברזולוציה על ומשימות חישה אחרות תוך כדי הליכה על פני השטח של דגימה", אמר פרופסור מונטיקון.
"אני חושב שאנחנו באמת רק מגרדים את פני השטח של מה שאפשר עם הפרדיגמה החדשה הזו שמשלבת הנדסה רובוטית ואופטית בקנה מידה מיקרו".
הלִלמוֹדפורסם בכתב העתמַדָע.
_____
קונרד ל. סמארטet al. 2024. רובוטיקה עקיפה מתוכנתת מגנטית.מַדָע386 (6725): 1031-1037; doi: 10.1126/science.adr2177
