Микророботы являются перспективным инструментом для многих областей применения, требующих микроманипуляции. В настоящей статье дается краткий обзор распространенных механизмов срабатывания микророботов, а затем рассматривается текущий прогресс в реализации ряда возможностей, необходимых для микроманипуляции, с упором на работу с использованием микророботов с опто-термокапиллярной адресацией пузырькового потока.
Микроманипуляция
— это возможность, которая выгодна во многих областях применения, включая:
- изготовление электронных схем и устройств,
- одноклеточный анализ,
- доставку лекарств,
- выделение патогенов,
- минимально инвазивную хирургию,
- тканевую инженерию.
Хотя существует множество методов и технологий, способных манипулировать микрообъектами, в данной статье основное внимание будет уделено микророботам, которые являются не связанными субмиллиметровыми исполнительными механизмами.
Микророботы предлагают различные методы манипулирования, включая контактные и бесконтактные манипуляции. Микророботы также, как правило, оснащены надежными автоматизированными системами управления, что облегчает операторам различного уровня квалификации выполнение микроманипуляции. Будут описаны несколько микророботизированных исполнительных механизмов, пригодных для микроманипуляции. Будут обсуждаться желательные особенности микроманипуляции с использованием микророботов, а также последние достижения в реализации этих возможностей с акцентом на микророботов с опто-термокапиллярным управлением потоком, адресованным пузырькам.
МЕХАНИЗМЫ СРАБАТЫВАНИЯ МИКРОРОБОТОВ
Микроробота включает в себя различные методы, включая:
- магнитное,
- электростатическое,
- биогибридное,
- оптотермическое,
- сочетание этих методов.
Магнитные силы
Популярным подходом к приведению в действие микророботов является использование магнитной силы. Магнитные силы могут быть относительно большими, и магнитные поля могут проникать в ткани человека с минимальными побочными эффектами. Магнитное управление может быть интегрировано и с другими системами, например, с системами визуализации: магнитно-резонансные сканеры могут использоваться для управления магнитными микророботами. Магнитные поля могут также воздействовать на многих магнитных микророботов одновременно. Недостатки магнитной активации включают трудности создания высоко локализованных магнитных полей и высокие требования к току электромагнитов.
Электрические силы
Электрические силы также популярны для микроприводов и используются для управления микророботами. Электрические поля легко локализуются, что позволяет увеличить разрешение срабатывания. Оборудование и настройка электропривода, как правило, проще и компактнее по сравнению с другими методами управления. Однако высокие электрические поля могут оказывать вредное воздействие на некоторые типы микрообъектов, такие как живые клетки. Электрическое включение в электропроводящих жидкостях также может быть проблематичным из-за нагрева джоулей и нежелательных электропроводящих путей.
Биогибридные системы
Природные организмы, такие как подвижные клетки и бактерии, способны к микромоторизации, наряду с другими возможностями, такими как перемещение по химическим градиентам. Таким образом, предпринимаются усилия по использованию этих организмов для приведения в действие микророботов. Это многообещающая область работы, однако на живые клетки накладываются дополнительные ограничения, связанные с условиями их работы.
Опто-термические силы
Опто-термические силы — это тепловые силы, создаваемые или управляемые оптическим источником. Простая фокусировка света на микромасштабы, что позволяет создавать управляющие силы высокого разрешения без микропроизводства. Опто-термические силы могут быть более мягкими на полезной нагрузке по сравнению с оптической манипуляцией, которая напрямую преобразует импульс фотона в механическую силу, поскольку объекты, подвергающиеся манипуляции, не должны быть непосредственно освещены светом. Однако установка оптического оборудования значительно сложнее, чем другие методы, и обычно дороже.
Многочисленные силы
Также используются вышеупомянутые комбинации механизмов управления, которые помогают устранить недостатки или дополнить функциональность конкретного метода управления.
Например,
биогибридным системам часто требуется дополнительное прикладное поле для управления микророботами, работающими на бактериях или клетках, например, магнитное поле, электрическое поле или оптическое поле. Также были исследованы другие комбинации исполнительных механизмов, такие как магнитное срабатывание с электростатическим усилием крепления или образование опто-термических пузырьков с акустическим потоком жидкости.