Блог компании ua-hosting.company. Многие отрасли деятельности человека уже давно активно используют помощь роботов, а именно роботизированных манипуляторов. Высокая точность движений, которые поддаются программированию, позволяют этим роборукам манипулировать объектами с высокой точностью. Спектр применения таких роботов также весьма широк, от сборки автомобилей до проведения хирургических операций.

Однако, несмотря на ряд очевидных преимуществ, данные манипуляторы не всесильны. Особую сложность они испытывают в бесконтактном неинвазивном манипулировании мелкими объектами, особенно в областях, защищенных тканевыми и костными барьерами.

Ученые из Вирджинского политехнического института (США) разработали робота, использующего акустические «невидимые» пинцеты для бесконтактного манипулирования объектами с микрометровой точностью.

Что стало фундаментом данной разработки, как именно функционирует робот, и насколько он эффективен? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Прецизионные бесконтактные манипуляции с объектами показали большой потенциал для инженерных, биологических и химических исследований, таких как управление микророботами, работа с деликатными биочастицами (например, экзосомами и клетками), транспортировка опасных реагентов, контроль самосборки коллоидных материалов подготовка наноматериалов для композитного производства и т. д.

Среди различных методов бесконтактных манипуляций в последнее время особое внимание вызывают акустические системы. В то время как другие методы полагаются на оптические, электрические или магнитные свойства объекта, эффективность акустических пинцетов во многом зависит от сжимаемости объекта и акустического импеданса. Более того, акустические пинцеты обладают множеством привлекательных функций, включая биосовместимость, способность проникать через барьеры (например, биологические ткани, стекло и т. д.), а также возможность манипулировать множеством объектов разных размеров и свойств материалов (например, мягких, твердые, газообразные, жидкие и т. д.).

Постоянно расширяющийся спектр применения акустического манипулирования объектами является результатом достижений в разработке механизмов акустических устройств. Используя стоячие акустические волны, генерируемые одной или двумя парами преобразователей, исследователи могли упорядочивать случайно распределенные объекты в параллельные периодические узоры в виде линий или прямоугольной сетки, разделять объекты разных размеров и контролировать расстояния между клетками.

Для улучшения этих характеристик были разработаны механизмы, основанные на акустических решетках с большим количеством пар преобразователей, чтобы лучше контролировать акустические помехи и упорядочивать частицы в более периодические структуры.

Несмотря на огромный прогресс в механизмах манипулирования акустическими объектами, существующие технологии все еще сталкиваются с рядом серьезных проблем, которые необходимо решить.

Во-первых, ни одна система не может обеспечить бесконтактное манипулирование с 4 степенями свободы (4-DOF) (включая трехмерное перемещение ux, uy и uz и вращение Ωz) одиночными объектами разного размера (например, от микро до миллиметра) с высоким разрешением в большом трехмерном пространстве (например, 10 х 10 х 10 см). Эта способность необходима для трехмерного позиционирования биологических образцов (например, клеток, сфероидов, эмбрионов и т. д.) и наблюдения за этими образцами с разных углов путем их вращения.

Во-вторых, большинство систем акустических пинцетов испытывают трудности с передачей достаточной акустической энергии через биологические барьеры (например, ткани и кости). Некоторые исследования показали неплохие результаты в этом начинании, но тканевые барьеры были весьма тонкими, а манипулированные частицы находились очень близко к барьерам (до 5 мм).

В-третьих, системы акустического пинцета традиционно используют оптические камеры для наблюдения за процессом манипулирования объектом, ограничивая их использование оптически прозрачными средами. Очень немногие исследования рассматривают объединение ультразвуковой визуализации с акустическим пинцетом, позволяющее акустически манипулировать объектом в непрозрачных средах.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые представили роботизированный пинцет, работающий с использованием акустических вихрей с настраиваемой хиральностью. Результирующая система обладает возможностью бесконтактного манипулирования объектами с 4 степенями свободы в высоком разрешении. При этом система может успешно работать с объектами сквозь биологические барьеры.