Garras eletroquímicas baseadas no ajuste de forças de superfície para aplicações em micro

May 17, 2023

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 7885 (2023) Cite este artigo

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Abordagens existentes para manipulação robótica geralmente dependem de dispositivos mecânicos externos, como dispositivos hidráulicos e pneumáticos ou garras. Ambos os tipos de dispositivos podem ser adaptados para microrrobôs apenas com dificuldades e para nanorrobôs nem todos. Aqui, apresentamos uma abordagem fundamentalmente diferente que se baseia no ajuste das próprias forças de superfície atuantes, em vez de aplicar forças externas por garras. O ajuste de forças é obtido pelo controle eletroquímico da camada difusa de um eletrodo. Essas garras eletroquímicas podem ser integradas diretamente em um microscópio de força atômica, permitindo procedimentos de 'pegar e colocar' normalmente usados ​​em robótica macroscópica. Devido aos baixos potenciais envolvidos, pequenos robôs autônomos também podem ser equipados com essas pinças eletroquímicas que serão particularmente úteis em robótica leve, bem como em nanorrobótica. Além disso, essas garras não possuem partes móveis e podem ser incorporadas a novos conceitos de atuadores. O conceito pode ser facilmente reduzido e aplicado a uma ampla gama de objetos, como colóides, proteínas e macromoléculas.

A robótica é uma tecnologia chave para o século XXI. Atualmente, os robôs manipulam objetos em escalas de comprimento de metros até alguns micrômetros. Diminuir as escalas de comprimento, que são rotineiramente acessíveis por abordagens robóticas, seria de grande importância para a nanotecnologia e a medicina. Para esses meios, várias abordagens micro e nanorrobóticas foram realizadas nos últimos anos. Ao atingir o domínio coloidal, ou seja, poucos micrômetros e menores, as forças de superfície começam a se tornar cada vez mais importantes para a robótica e conceitos bem estabelecidos do mundo macroscópico não podem mais ser aplicados1,2,3,4,5,6,7, 8. Em particular, o processo de 'pegar e colocar', ou seja, o complexo processo de agarrar, pegar e, posteriormente, soltar um objeto em uma posição definida torna-se cada vez mais difícil de implementar9,10. Devido às onipresentes forças atrativas de van der Waals (vdW) e capilares1,11, pequenos objetos aderem irreversivelmente às superfícies. Assim, as pinças (cf. Fig. 1a,b), uma ferramenta comum à robótica macroscópica, tornam-se severamente limitadas em sua função em pequenos comprimentos, mesmo quando equipadas com modificações de superfície especificamente projetadas 11,12,13. Apesar dos recentes avanços no desenvolvimento de novos sistemas de atuadores14,15 que permitiriam, em princípio, uma maior miniaturização das garras, os limites físicos impostos pelas forças de superfície permanecerão em vigor. A introdução de novas abordagens que dependem da manipulação das próprias forças de superfície, em vez de otimizar as ferramentas do mundo macroscópico, representa um passo importante para estender os processos de manipulação robótica à escala micro e nanométrica baixa. Assim, será possível preservar processos de manipulação estabelecidos como 'pegar e colocar' para lidar com partículas coloidais e macromoléculas.

Princípios de manipulação robótica de macro a nanoescala. (a) Robô macroscópico de 6 eixos em design 'clássico'. (b) Fixação da garra para o robô macroscópico e (c) tampa de sucção, respectivamente. (d) Uma plataforma robótica análoga para micromanipulação (aqui, em combinação com um microscópio eletrônico de varredura, SEM). (e) Garra para a referida plataforma de micromanipulação, que permite o manuseio de partículas coloidais. (f) Um equivalente a uma ventosa que pode ser combinada com um microscópio de força atômica (AFM). A inserção mostra um cantilever AFM oco microfluídico com uma abertura de 2 μm de diâmetro que pode ser conectado diretamente a um controlador nanofluídico. (g) A ponta de um AFM-cantilever em comparação com o olho de uma mosca em SEM. (h) Exemplo de nanomanipulação aplicando forças de cisalhamento por AFM para mover partículas para locais definidos na amostra. (i) Etapas de manipulação simples para 'escolher', 'colocar' e 'soltar', respectivamente, são ilustradas por uma mão humana na escala macroscópica. (j) Estendendo o conceito de 'pegar' e 'colocar' para o domínio coloidal e além: em vez de aplicar pressão mecânica, as forças de interação são sintonizadas externamente. Verde indica interações atrativas (ou seja, equivalente a 'pegar'), e vermelho indica interações repulsivas (ou seja, equivalente a 'soltar').