Dynamische, zelfassemblerende micromachines

Het bouwen van een machine met veel verschillende componenten is een uitdagende taak. Het wordt nog spannender als de machine slechts enkele micrometers groot is. In dat soort gevallen is het handig wanneer de onderdelen zichzelf monteren. Wetenschappers van het Max Planck Instituut voor Intelligente Systemen in Stuttgart (MPI-IS) kunnen met een nieuwe techniek kleine machines met afmetingen tussen 40 en 50 micrometer assembleren. 

De zelfconfiguratie van componenten van zogenaamde micromachines is niets nieuws. Deze methode wordt al tientallen jaren door onderzoekers gebruikt. Magnetische deeltjes, die reageren op roterende magnetische velden, kunnen zichzelf assembleren, evenals componenten die zich via chemische reacties aan elkaar hechten. Een voorbeeld hiervan zijn bacteriële microzwemmers. De mogelijkheden van deze zelfgemonteerde micromachines was echter altijd zeer beperkt. Het Max Planck Instituut voor Intelligente Systemen heeft een techniek ontwikkeld om de mogelijkheden te vergroten, waarmee allerlei micromachines zijn te assembleren. Deze micromachines zijn ongeveer de helft van de diameter van een mensenhaar en bouwen zichzelf op. Programmeerbare zelfassemblage van de afzonderlijke componenten wordt mogelijk gemaakt door het gebruik van elektroforetische krachten die zich rondom de afzonderlijke delen in een inhomogeen elektrisch veld vormen. In deze omgeving kunnen het machineframe, het grootste onderdeel en de magnetische onderdelen gecontroleerd samengebracht worden. Het baanbrekende onderzoek van de Stuttgart-wetenschappers werd op 24 juni 2019 gepubliceerd in het tijdschrift Nature Materials onder de titel Shape-encoded dynamic assembly of mobile micromachines.

Berk Yigit, een doctoraal student in het Departement Fysische Intelligence bij het MPI-IS en Yunus Alapan, een postdoctorale en werktuigbouwkundig ingenieur uit dezelfde afdeling, zijn beide de belangrijkste auteurs van de bovengenoemde publicatie. Metin Sitti, directeur van de MPI-IS en hoofd van de afdeling Fysische intelligentie, is de laatste auteur.

Aantrekkingskracht tussen eenheden

“We gebruiken vorm- en materiaal-specifieke krachten in een inhomogeen elektrisch veld,” zegt Alapan. “De vorm van het machineframe of raamwerk enerzijds en de kleinere componenten anderzijds beïnvloeden de omliggende gradiënten. Deze ontwikkelen een aantrekkingskracht tussen de eenheden. Met deze kracht wordt het mogelijk om micromachines samen te stellen. Wanneer we de vorm van de componenten wijzigen, bepalen we hoe de gradiënten worden gegenereerd en hoe de componenten elkaar aantrekken. De onderdelen van onze micromachines zijn overigens niet stevig gemonteerd,” vertelt Yigit. “Ze kunnen ten opzichte van elkaar bewegen, waardoor een nog complexere voortbeweging mogelijk is. Stel je voor, de wielen van een auto draaien, maar de ophanging en het onderstel blijft ongewijzigd. In plaats van starre verbindingen te maken, kan elk onderdeel afzonderlijk worden verplaatst.”

De afzonderlijke componenten werden geproduceerd door een 3D-printproces met behulp van twee-foton-lithografie. “Ons eerste ontwerp was een micro-auto. We kozen voor het 3D-chassis omdat deze constructie de ideale zwaartekracht ontwikkelt om de magnetische wielen aan te trekken. Enkele seconden nadat we het elektrische veld hadden ingeschakeld, trok het de wielen in de wielkasten zegt Alapan.”

Alapan en Yigit hebben veel verschillende componentafmetingen en -vormen geprobeerd. De onderzoekers hebben een micro-auto gebouwd zoals hierboven vermeld, en zelfs iets vergelijkbaars met een kleine raket en een micropomp. Terwijl de pomp ronddraait, bewegen magnetische deeltjes de spiraal omhoog. Dit resulteert in een pompeffect wanneer een micropomp in de buurt van een andere is. De onderzoekers toonden ook aan dat ze niet alleen individuele micro-machines kunnen bouwen, maar ook verschillende micromachines kunnen samenbrengen. Dit effent de weg voor hiërarchisch gestructureerde multi-machine-assemblages.

Medische toepassing

Het vermogen om op veel verschillende manieren te bewegen is van groot voordeel: het kan de beslissende factor zijn of dergelijke micromachines in de toekomst in het menselijk lichaam heel gericht geneesmiddelen kunnen toedienen, cellen kunnen manipuleren of tumorcellen kunnen opsporen. Eén ding waar de onderzoekers zeker van zijn, is dat de hierboven genoemde zelfassemblerende methode voor het bouwen van micromachines in veel verschillende vormen en maten een grote impact op de wetenschap zal hebben.