18 microbulles pour propulser les micro-robots du futur

La micro-robotique a connu une évolution rapide ces dernières années, permettant aux scientifiques de construire des machines minuscules capables de pénétrer dans des environnements difficiles d’accès, du corps humain aux sites de déchets contaminés. La propulsion de ces minuscules robots nécessite des solutions ingénieuses, car leur petite taille signifie qu’ils opèrent dans un domaine dominé par la viscosité plutôt que par l’inertie.

Une approche populaire utilise la compression et la raréfaction répétées des bulles d’air induites par des ondes acoustiques pour produire des flux de micro-courants capables de propulser le mouvement robotique.

La fragilité des bulles individuelles et la force limitée ont contraint l’adoption généralisée. Les chercheurs ont longtemps cherché l’inspiration dans la biologie pour la conception robotique.

Une équipe de l’Université de Twente dirigée par Sarthak Misra s’inspire du monde des métamatériaux acoustiques pour créer une nouvelle conception de micro-robot alimenté par l’acoustique. Leur approche bio-inspirée pourrait ouvrir de nouvelles possibilités pour le déploiement de microbots dans l’échantillonnage biologique, la médecine clinique, la remédiation environnementale et plus encore.

a) Micrographie du microrobot inspiré du métamatériau acoustique proposé décrivant la disposition des cavités, avec b) vue latérale du microrobot avec les cavités constitutives qui piègent les bulles de gaz (en médaillon). c) Schéma décrivant le microrobot immergé dans le dispositif de caractérisation acoustique qui comprend un grand réservoir acrylique (300 mm × 200 mm × 100 mm) avec un espace de travail circulaire désigné et un transducteur ultrasonore immergeable (fréquence centrale 110 kHz, diamètre transversal 60 mm, PA1954, Precision Acoustics, UK). La barre d’échelle est de 100 μm. Vue de dessus du microrobot : d) schéma montrant les anneaux reliant les cavités ; e) vue nanoscopique du microrobot pendant sa fabrication.

Réingénierie des micro-robots en tant que systèmes macroscopiques

Plutôt que de miniaturiser davantage, ce qui est la tendance dominante en micro-robotique, les chercheurs ont choisi de faire évoluer leur conception.

La fabrication du bot à l’aide d’une impression 3D d’écriture laser directe à haute résolution permet d’incorporer des caractéristiques structurelles subtiles comme des recoins rentrants qui stabilisent passivement les bulles sans traitement chimique de surface spécial.

De manière cruciale, l’agrandissement de la structure globale à une échelle de 0,5 mm la rend beaucoup plus simple à manipuler et à déployer que les conceptions typiques à l’échelle du micron. Contre-intuitivement, aller plus grand ouvre de nouvelles possibilités.

a) Mouvement stationnaire après que le microrobot a pris une orientation verticale (film S4, informations complémentaires). Les flèches rouges indiquent la direction du mouvement du microrobot. b) Application du microrobot comme un μ-sieve où (t = 0 s) il approche (en rouge) des débris de microparticules (en vert) de taille 6 μm, (t = 6-11 s) les particules sont tirées vers le microrobot en raison de l’aspiration induite par l’écoulement, (t = 12 s) un autre groupe de débris est tiré vers le microrobot, et (t = 14) le deuxième ensemble de débris est éjecté (Movie S4, Supporting Information). c) Séquence time-lapse superposée (t = 12) montrant des débris de particules approchant le microrobot de toutes les directions (vert foncé) et étant libérés par l’extrémité la plus étroite (t = 14, vert clair).

Mettre au travail des microbots hautement agiles

Pour démontrer les capacités de leur millibot alimenté par l’acoustique, les chercheurs ont montré comment il peut utiliser l’aspiration induite par le courant pour attirer et éliminer les débris. Cette fonctionnalité de lévitation et de nettoyage pourrait être précieuse pour les tâches d’échantillonnage biologique ou d’élimination des déchets dans des espaces confinés ou difficiles d’accès.

Lorsqu’il est actionné à des fréquences d’ultrasons spécifiques autour de 65-70 kHz, les flux de micro-courants périodiques génèrent suffisamment de force pour que le micro-robot s’oriente verticalement et se maintienne en lévitation de manière stable.

Le changement de fréquences module son mouvement, permettant le transport sur des distances supérieures à 10 fois le diamètre du bot.

a) Images time-lapse superposées montrant le modèle de flux acoustique autour des microrobots avec 6 et 18 microbulles oscillantes. b) Calcul de l’analyse du flux en utilisant l’algorithme de vélocimétrie par images de particules (PIVlab, MATLAB).[ 38 ] Une ligne sectionnelle A-A′ est sélectionnée du côté de l’entrée du microrobot pour analyser le profil d’amplitude de la vitesse du flux d’un cadre sélectionné.

En synthèse

En créant des microbots avec de nouvelles capacités, tout en facilitant simultanément la production et la manipulation, cette recherche démontre les mérites de l’application des principes des métamatériaux acoustiques de manière non conventionnelle. Leur réutilisation créative du paradigme d’agencement ordonné des bulles introduit de nouvelles idées en micro-robotique et en microfluidique.

Il démontre que l’hybridation de composants à l’échelle du micron avec des plateformes plus grandes peut améliorer de manière significative les performances du système. Cela renverse l’idée commune que la miniaturisation est intrinsèquement supérieure.

De plus, leur adoption d’un schéma de fabrication simplifié qui ne nécessite pas de modification chimique extensive de la surface ou de pièces mobiles à l’échelle nanométrique rend l’adoption de la nouvelle technologie beaucoup plus accessible.

Pour une meilleure compréhension

1. Qu’est-ce que la micro-robotique ?

La micro-robotique est un domaine de recherche qui se concentre sur la conception et la fabrication de robots de très petite taille, capables d’opérer dans des environnements difficiles d’accès, tels que le corps humain ou des sites de déchets contaminés.

2. Comment les bulles d’air sont-elles utilisées pour propulser les micro-robots ?

Les bulles d’air sont comprimées et raréfiées de manière répétée par des ondes acoustiques, ce qui génère des flux de micro-courants capables de propulser le mouvement robotique. Cependant, la fragilité des bulles individuelles et la force limitée ont contraint l’adoption généralisée de cette approche.

3. Que se cache t-il derrière la conception de micro-robot alimenté par l’acoustique ?

L’équipe de l’Université de Twente, dirigée par Sarthak Misra, s’inspire des métamatériaux acoustiques pour créer une nouvelle conception de micro-robot alimenté par l’acoustique. Leur approche bio-inspirée pourrait ouvrir de nouvelles possibilités pour le déploiement de microbots dans l’échantillonnage biologique, la médecine clinique, la remédiation environnementale et plus encore.

4. Quels sont les avantages de la conception de micro-robot à l’échelle macroscopique

En agrandissant la structure globale à une échelle de 0,5 mm, il devient beaucoup plus simple de manipuler et de déployer le micro-robot par rapport aux conceptions typiques à l’échelle du micron. Cette approche hybride, combinant des composants à l’échelle du micron avec des plateformes plus grandes, peut améliorer de manière significative les performances du système.

5. Quelles sont les applications potentielles de ces micro-robots ?

Les micro-robots alimentés par l’acoustique pourraient être utilisés pour l’échantillonnage biologique, la médecine clinique, la remédiation environnementale, l’extraction et la filtration sans contact, l’accès à des terrains complexes en 3D et la circulation à l’intérieur de dispositifs microfluidiques pour diriger et manipuler les flux et les particules.

Principaux enseignements

Enseignement	Description
Microrobotique	Conception et fabrication de robots de très petite taille pour des environnements difficiles d’accès.
Propulsion par bulles	Utilisation de bulles d’air comprimées et raréfiées par des ondes acoustiques pour propulser les microrobots.
Inspiration	Utilisation des principes des métamatériaux acoustiques pour créer une nouvelle conception de microrobot.
Conception macroscopique	Agrandissement de la structure globale à 0,5 mm pour faciliter la manipulation et le déploiement.
Applications potentielles	Échantillonnage biologique, médecine clinique, remédiation environnementale, extraction et filtration sans contact.
Amélioration des performances	Augmentation de 80% de la vitesse de micro-courant grâce à l’agencement des microbulles.
Hybridation	Combinaison de composants à l’échelle du micron avec des plateformes plus grandes pour améliorer les performances du système.
Fabrication simplifiée	Utilisation de l’impression 3D pour créer des microrobots sans modification chimique extensive de la surface.
Accessibilité	La nouvelle technologie est plus accessible grâce à la fabrication simplifiée et à l’absence de pièces mobiles à l’échelle nanométrique.
Potentiel futur	Les microrobots pourraient être utilisés dans des dispositifs de diagnostic, de dépollution et de contrôle de la qualité des microfluides.