中国人第一著者の研究が再びサイエンス誌に掲載される：磁気駆動折りたたみロボット、3Dプリントはわずか20分

著者: AI_era、出典: Science Robotics、MIT News

マイクロロボットは、薬剤の投与、組織サンプルの収集、手術の補助など、医療の分野でさまざまな用途に使用されています。最近、トロント大学とMITの2つの研究では、磁性材料と3Dプリントを使用して、わずか数ミリメートルの大きさの制御可能なマイクロロボットを開発しました。

体内に薬剤を送達したり、医師の手術を補助したりできるマイクロロボットは、長年科学者の夢であった。しかし、科学者がこれまでに開発したマイクロロボットのプロトタイプは、硬直していて動作が遅いことが多く、送信された無線コマンドに即座に応答することができない。

現在、研究者らは、磁石をリモコンとして使用して、物をつかんだり這ったりするなどの作業を実行できる、無数の形状に折り畳むことができる、わずか数ミリメートルの大きさの極小ロボットを開発した。

論文の第一著者である Tianqi Xu 氏が、開発したマイクロロボットを披露。トロント大学マイクロロボティクス研究所の Tianqi Xu、Jiachen Zhang、Mohammad Salehizadeh、Onaizah Onaizah、Eric Diller らは最近、この研究に関する論文を Science Robotics 誌に発表した。

磁石で制御する場合、ロボットも磁性材料を使用する必要があるため、これまでの磁気制御マイクロロボットは硬い材料で作られていました。

柔軟で磁気制御可能なロボットを作成するために、研究者らは磁性元素であるネオジムの粒子をプラスチックなどの柔らかい材料に埋め込みました。

研究者らは、一対の強力な磁石を使用してロボットの特定部分のネオジムの極性を反転させ、磁場内で反発したり引き付けたりすることで、折り畳みを実現した。次に、これらの部位に紫外線を照射し、内部に埋め込まれた材料を硬化させて所定の位置に固定します。

研究者たちは、さまざまな部品の極性を制御することで、つかむ、這う、泳ぐなどの3D動作を実行するようにロボットをプログラムした。

ロボットは折りたたむことができます:

這うことと泳ぐこと

ロボットは折りたたんだり、つかんだり、這ったり、泳いだりすることができます。手術を補助したり、人体内に薬剤を送達したりするために、将来のロボットは有毒なネオジムを放棄し、鉄などの危険性の少ない金属を使用する必要があります。研究者らは、鉄などの金属を使用すればロボットは作動するが、それを操作するにはより強力な磁石が必要になる可能性が高いと述べた。これらのロボットは、医療用途に加えて、小さな工場で小型製品を生産するためにも使用できます。

これまで、マイクロロボットを組み立てるには、先端が尖ったピンセット、顕微鏡、研究者の安定した手、そして少なくとも 8 時間の作業時間が必要でした。しかし、トロント大学によるこの研究では、3D プリント技術を使用して、わずか 20 分でミリメートル規模の磁気マイクロロボットを作成します。

3D プリントマイクロロボットに必要な物理的材料トロント大学マイクロロボティクス研究所は、エリックディラー教授が率いています。彼らが開発した磁気マイクロロボットは、針の先端ほどの大きさで、人体の液体で満たされた血管や臓器を通過することができます。

ディラー氏と彼のチームは磁場を利用してこれらのロボットの動きを無線で制御します。

マイクロロボットの動きを制御するためにゲームコントローラが使用されました。各マイクロロボットは、磁気針が正確に配置された平らで柔軟な素材の「シート」数枚で構成されています。

組み立てが終わると、研究者たちは磁場を利用してロボットを誘導し、流体チャネルを通ってミミズのように移動させたり、小さな「あご」を閉じて組織サンプルを採取させたりした。

「マイクロロボットは、製作に非常に高い精度が求められるため、製造が難しく、労働集約的である」と論文の筆頭著者であるティエンキ・シュー氏は述べた。「また、ロボットを小型化するのは、手作業で組み立てる必要があるため、さらに困難である。それが私たちの研究の主な目的だった」

Xu氏と彼の同僚が開発した自動化手法により、設計と製造にかかる時間が大幅に短縮され、製造できるマイクロロボットの種類が拡大しました。

新しい技術の能力を検証するために、研究者たちは 20 種類以上のロボットの形状を設計し、それを 3D プリンターにプログラムしました。次に、プリンターは磁性粒子の配向をプロセスの一部として含み、デザインを構築して固めます。

この新しい最適化方法により、現在のミリメートルスケールよりも小型で複雑なマイクロロボットの開発が可能になります。「いつかロボットのサイズをさらに10分の1に縮小できると信じている」とディラー氏は語った。

研究の詳細：デザイン、材料、方法

図 1: 離散 3D 磁化をパターン化するために使用されるシステムの概略図。 (A) UV 硬化性エラストマーマトリックス複合材料に永久磁性粒子をパターン化するために使用される物理的なセットアップ。 DOF: 自由度。 (B) 実験的に測定された最大架橋厚さと磁性粒子濃度の関係。エラーバーはSDを表します。 (C) 水平磁化成分と垂直磁化成分を持つ二重層構造の模式図。黄色の矢印は各ブロックの磁化方向を示しています。 (D) 二重層構造の上面図。単位スケールバーは実際の長さ 2 mm を表します。 (E) 磁気光学センサーを使用して各層の表面付近で測定した面外磁束分布。磁化分布をより視覚的に把握するために、独立して製造された 2 つの層を使用して磁気光学画像を撮影しました。

図 2: 分散型 3D 磁化分布を備えた柔軟な磁気平面構造。黄色の矢印は局所的な磁化の方向を示し、緑の矢印は作動磁場の方向を示します。素材の厚さは約80ミクロンです。「アコーディオン」の駆動磁場は 200 mT で、その他の磁場はすべて 20 mT 未満です。すべてのコンポーネントは、元の形状と折り畳まれた形状の間ですばやく可逆的に変換できます。

図 3 3D 環境で変形を予測し、製造角度成分を調整するためのモデル。 (A) 20 mTの磁場下での大きな角度偏向を示す側面図。 (B) 大角度偏向の数値モデル。 (C) 20 mT の磁場下でのリングの変動する曲がりを示す側面図。 (D) 有限要素法を用いたシミュレーション。 (E) 3本アーム構造の形状、サイズ、磁化分布。単位：mm。 (F) 異なる磁化分布を持つ3アーム構造の上面図。スケールバー: 2mm。

図 4: ミリメートル規模のセグメント化された磁気スイマー。 (A) 3種類のスイマーの磁化曲線。長さLは4.5mmです。 (B) 模擬水泳選手のTWC分析。青いマークは各段階での変形を示し、黄色の破線は 1 サイクルにおける等価変形円を示します。 (C) さまざまな条件下での水泳選手の実験的な水泳速度。実線の三角形は 6 つのサンプルの平均を表し、エラーバーは SD を表します。 (D) 同じ前駆体から 1 つのプロセスで作られたセグメント化されたスイマー。スケールバー: 1mm。 (E) 磁気スイマーの追跡経路。 (F) 磁気スイマーの経路追従誤差。

図 5: 非結合型マルチアーム磁気マイクログリッパー。 (A) 磁気マイクログリッパーの形状、磁化曲線、動作構造。黒い矢印は各コンポーネントの局所的な磁化方向を示し、青い矢印は駆動磁場を示します。（B）貨物輸送作業の概略図。 (C) シリコンオイル内での貨物輸送作業の上面図と側面図。シリコンオイルは、本体の重量を持ち上げ、固定具の変形を遅くするために使用され、オープンループ制御を容易にします。スケールバー、5 mm。 (D) 異なる磁場強度におけるさまざまなマイクログリッパーのクローズアップ画像。スケールバー: 2mm。

図6 多脚パドル型移動ロボット。 (A) パドル型クローラーロボットの画像と磁化曲線。局所的な磁化は黒い矢印で示されます。 G1 とマークされた脚がパワーストロークを実行すると、G2 とマークされた脚がリカバリストロークを実行し、その逆も同様です。スケールバー、2 mm。 (B) 横方向歩行の模式図。 (C) さまざまな段階でのロボットの上面図。 (D) マイクロチャネルの概略図。チャネルの断面積は4.7 mm x 1.0 mmです。 (E) シリコンオイルで満たされたマイクロチャネル内でのロボットの動きを示す上面図。シリコンオイルは重量を持ち上げてロボットの移動速度を遅くするのに使用され、カメラが動きを鮮明に撮影できるようにします。水中でのストローク動作やロボットのスピードが比較的速くなります。スケールバー: 4mm。

図 7. レーザーステアリング用の制約のない磁気ミラーマウント。 (A) 中央に小さな鏡が付いた鏡枠の図。この構造の磁化分布を図2Lに示します。スケールバー: 2mm。 (B) レーザーステアリング実験の概略図。 (C) 実験で使用したコイルシステム。 (D) レーザーのターゲット軌道（オレンジ）と実験軌道（青）。 T 字型と星型の軌道の追跡周波数はそれぞれ 0.5 Hz と 0.2 Hz です。

図8 さまざまなサンプルの表面付近の磁束分布。そして、（A）6本アーム磁気マイクログリッパー（前面）、（B）6本アーム磁気マイクログリッパー（背面）、（C）折り畳み構造（D）多脚パドル型クローリングロボットに沿って。データはサンプル表面から 60 μm の距離で収集され、モデル内の磁化は最小二乗法を使用して測定データに適合されました。 (E) 磁気QRコード「UofT」付きポリマーシート。スケールバー: 2mm。 (F)は(E)を基準としてQRコードサンプルの表面で測定された磁束です。

MITの磁気制御マイクロロボットは薬剤の送達に使用できる 将来の医療用途では、標的薬剤送達、受精補助、生検など、より小型で複雑なマイクロロボットが必要になるでしょう。

たとえば、医療用途で尿路や脳の液腔から組織サンプルを採取する必要がある場合、外科用ロボットのサイズは小さくなければなりません。

制御に磁気を利用することは、マイクロロボット研究における有望なトレンドです。この分野でもう一つ注目すべき研究は、MITのエンジニアによるもので、患者の血液を通じてナノスケールの薬剤粒子を患部に送り込み、薬剤が腫瘍やその他の患部に入り込むことを可能にするマイクロロボットを設計した。

細菌が自ら推進して移動する仕組みにヒントを得て、研究者らはナノ粒子による薬物送達における最大の課題の1つである、粒子を血管から適切な場所に送り込むという課題を克服するのに役立つ可能性のある磁性マイクロロボットを開発した。

この小型の薬剤送達ロボットは、大きさがわずか 0.35 mm で、外部の磁場によって制御できます。研究者らが「人工細菌べん毛」と呼ぶ、生物学にヒントを得たこのロボットは、細菌が自らを前進させるために使用するべん毛に似た小さな螺旋構造で構成されている。ロボットは高解像度の3Dプリンターで印刷され、その後ニッケルでコーティングされて磁性を帯びるようになった。

研究者らは、1 台のロボットが近くのナノ粒子を制御する能力をテストするために、腫瘍の周囲の血管を模倣したマイクロ流体システムを作成した。システムのチャネルは幅が 50 ～ 200 ミクロンで、腫瘍付近の破裂した血管を模倣するために穴の開いたゲルでコーティングされている。

研究者らはロボットに外部磁場を適用し、ロボットが回転して水路を泳ぐようにした。研究者らは、このロボットはステント周囲の炎症を軽減する薬剤を投与するのに使用できると述べている。

参考リンク:
https://robotics.sciencemag.org/content/4/29/eaav4494
https://www.utoronto.ca/news/no- ... マイクロロボティックデザイン
http://news.mit.edu/2019/nanoparticles-magnetic-robots-0426

著者: AI_era

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