ทีมนักวิจัยจาก Cornell University ได้สร้างหุ่นยนต์กล้องจุลทรรศน์ควบคุมด้วยแม่เหล็ก (ไมโครบอท) ประเภทใหม่ที่ทำงานที่ขีดจำกัดการเลี้ยวเบนของแสงที่มองเห็นได้ ไมโครบอทเหล่านี้เรียกว่าหุ่นยนต์เลี้ยวเบนสามารถโต้ตอบกับคลื่นแสงที่มองเห็นได้และยังคงเคลื่อนไหวได้อย่างอิสระ เพื่อให้สามารถเคลื่อนที่ไปยังตำแหน่งเฉพาะเพื่อถ่ายภาพและวัดแรงตามขนาดโครงสร้างที่เล็กที่สุดของร่างกาย
หุ่นยนต์เลี้ยวเบน เครดิตภาพ: สมาร์ทและคณะ., ดอย: 10.1126/science.adr2177.
เป็นครั้งแรกที่หุ่นยนต์แบบกระจายแสงเชื่อมต่อหุ่นยนต์แบบไร้การเชื่อมต่อด้วยเทคนิคการสร้างภาพซึ่งขึ้นอยู่กับการเลี้ยวเบนของแสงที่มองเห็นได้ ซึ่งก็คือการโค้งงอของคลื่นแสงเมื่อมันผ่านช่องเปิดหรือรอบๆ บางสิ่งบางอย่าง
เทคนิคการถ่ายภาพต้องใช้ช่องเปิดที่มีขนาดพอๆ กับความยาวคลื่นของแสง
เพื่อให้ระบบทัศนศาสตร์ทำงานได้ หุ่นยนต์จะต้องอยู่ในระดับนั้น และเพื่อให้หุ่นยนต์เข้าถึงเป้าหมายเพื่อถ่ายภาพได้ หุ่นยนต์จะต้องสามารถเคลื่อนที่ได้ด้วยตัวเอง
ควบคุมโดยแม่เหล็กที่ทำให้เกิดการเคลื่อนไหวแบบบีบ หุ่นยนต์สามารถเคลื่อนตัวไปข้างหน้าบนพื้นผิวแข็งได้ พวกเขายังสามารถ 'ว่าย' ผ่านของเหลวได้ด้วยการเคลื่อนไหวแบบเดียวกัน
การผสมผสานระหว่างความคล่องแคล่ว ความยืดหยุ่น และเทคโนโลยีการมองเห็นแบบหักเหแสงทำให้เกิดความก้าวหน้าครั้งสำคัญในด้านวิทยาการหุ่นยนต์
“หุ่นยนต์เดินที่มีขนาดเล็กพอที่จะโต้ตอบและปรับรูปร่างแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพจะนำเลนส์ของกล้องจุลทรรศน์ไปใส่ไว้ในโลกใบเล็กโดยตรง” ศาสตราจารย์ Paul McEuen แห่งมหาวิทยาลัย Cornell กล่าว
“มันสามารถถ่ายภาพระยะใกล้ในแบบที่กล้องจุลทรรศน์ธรรมดาไม่สามารถทำได้”
“หุ่นยนต์เหล่านี้มีขนาดระหว่าง 2 ถึง 5 ไมครอน พวกมันตัวเล็ก และเราสามารถให้พวกเขาทำทุกอย่างที่เราต้องการโดยการควบคุมสนามแม่เหล็กที่ขับเคลื่อนการเคลื่อนที่ของพวกมัน”
“ผมรู้สึกตื่นเต้นมากกับการมาบรรจบกันของไมโครโรโบติกส์และไมโครออพติกส์” ดร. ฟรานเชสโก มอนติโคน จากมหาวิทยาลัยคอร์เนลกล่าว
“ในที่สุดการย่อขนาดของหุ่นยนต์ก็มาถึงจุดที่ระบบกลไกกระตุ้นเหล่านี้สามารถโต้ตอบและสร้างรูปร่างของแสงได้ในระดับความยาวคลื่นเพียงไม่กี่ช่วงคลื่น ซึ่งเล็กกว่าหนึ่งเมตรถึงล้านเท่า”
ในการขับเคลื่อนหุ่นยนต์ด้วยแม่เหล็กในระดับนี้ ทีมงานได้ออกแบบหุ่นยนต์ด้วยแม่เหล็กขนาดนาโนเมตรหลายร้อยอันซึ่งมีปริมาณวัสดุเท่ากัน แต่มีรูปทรงที่แตกต่างกันสองแบบ ยาวและบาง หรือสั้นและแข็ง
“อันที่ยาวและบางจำเป็นต้องมีสนามแม่เหล็กที่ใหญ่กว่าเพื่อพลิกจากการชี้ทางหนึ่งไปยังอีกทางหนึ่ง ในขณะที่อันที่สั้นและแข็งนั้นต้องการสนามแม่เหล็กที่เล็กกว่า” ศาสตราจารย์อิไต โคเฮน แห่งมหาวิทยาลัยคอร์เนล กล่าว
“นั่นหมายความว่าคุณสามารถใช้สนามแม่เหล็กขนาดใหญ่เพื่อให้พวกมันทั้งหมดอยู่ในแนวเดียวกัน แต่ถ้าคุณใช้สนามแม่เหล็กที่มีขนาดเล็กกว่า คุณจะพลิกได้เฉพาะสนามแม่เหล็กที่สั้นและแข็งเท่านั้น”
ในการสร้างหุ่นยนต์ ผู้เขียนได้รวมหลักการนี้เข้ากับฟิล์มบางมาก
“หนึ่งในความท้าทายหลักด้านวิศวกรรมออพติคอลคือการหาวิธีที่เหมาะสมที่สุดสำหรับงานสามอย่าง ได้แก่ การปรับแสง การโฟกัส และการถ่ายภาพความละเอียดสูง สำหรับแพลตฟอร์มเฉพาะนี้ เนื่องจาก “แนวทางที่แตกต่างกันมีการแลกเปลี่ยนประสิทธิภาพที่แตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับว่าไมโครโรบอตเป็นอย่างไร สามารถเคลื่อนไหวและเปลี่ยนรูปร่างได้” ดร.มอนติโคน กล่าว
“การสามารถเคลื่อนย้ายองค์ประกอบการเลี้ยวเบนด้วยกลไกได้มีประโยชน์เพื่อปรับปรุงการถ่ายภาพ” ศาสตราจารย์โคเฮนกล่าว
ตัวหุ่นยนต์สามารถใช้เป็นการให้คะแนนการเลี้ยวเบนหรือสามารถเพิ่มเลนส์เลี้ยวเบนได้ ด้วยวิธีนี้ หุ่นยนต์สามารถทำหน้าที่เป็นส่วนขยายเฉพาะของเลนส์กล้องจุลทรรศน์เมื่อมองลงมาจากด้านบน
หุ่นยนต์วัดแรงโดยใช้การเคลื่อนไหวด้วยการบีบด้วยแม่เหล็กแบบเดียวกับที่ช่วยให้หุ่นยนต์เดินเพื่อดันสิ่งก่อสร้างได้
“หุ่นยนต์เหล่านี้เป็นสปริงที่เข้ากันดีมาก ดังนั้นเมื่อมีบางสิ่งกดดัน หุ่นยนต์ก็สามารถบีบได้” ศาสตราจารย์โคเฮนกล่าว
“นั่นเปลี่ยนรูปแบบการเลี้ยวเบน และเราสามารถวัดค่านั้นได้ค่อนข้างดี”
การวัดแรงและความสามารถในการมองเห็นสามารถนำไปใช้ในการวิจัยขั้นพื้นฐาน เช่นเดียวกับในการสำรวจโครงสร้างของ DNA หรืออาจจะนำไปใช้ในสถานพยาบาลก็ได้
“เมื่อมองไปในอนาคต ฉันสามารถจินตนาการถึงฝูงไมโครบอทแบบเลี้ยวเบนที่ทำงานด้วยกล้องจุลทรรศน์ความละเอียดสูงและงานตรวจจับอื่นๆ ขณะเดินข้ามพื้นผิวของตัวอย่าง” ศาสตราจารย์มอนติโคนกล่าว
“ผมคิดว่าเรากำลังแค่เริ่มต้นดูสิ่งที่เป็นไปได้ด้วยกระบวนทัศน์ใหม่นี้ที่ผสมผสานวิศวกรรมหุ่นยนต์และออปติคอลในระดับไมโครสเกล”
ที่ศึกษาได้รับการตีพิมพ์ในวารสารศาสตร์-
-
คอนราด แอล. สมาร์ทและคณะ- 2024. หุ่นยนต์เลี้ยวเบนที่ตั้งโปรแกรมด้วยแม่เหล็ก.ศาสตร์386 (6725): 1031-1037; ดอย: 10.1126/science.adr2177
