Lysdrevne Tænder: Bygning af de Mindste Motorer til Medicin

Miniaturiseringstrenden har gennemsyret en bred vifte af industrier.

Især pågår der bestræbelser på at skabe mindre, mere effektive og kraftfulde enheder på tværs af forskellige områder, herunder elektronik, kunstig intelligens, rumfart og medicin.

Miniaturiseringskonceptet indebærer simpelthen fremstilling af mindre produkter og enheder. Dette resulterer i lettere, mere kompakte og bærbare produkter med forbedret ydeevne og lavere omkostninger, hvilket fører til større tilgængelighed og innovation.

Miniaturiseringen af mekaniske maskiner er faktisk nøglen til at fremme nanoteknologi og reducere enhedens miljøpåvirkning. Det er dog mere komplekst på grund af, hvordan de strukturelle egenskaber af mekaniske dele ændres, når de skaleres ned.

Inden for mekatronik har forskere i de seneste årtier arbejdet på at nedskalere nøglekomponenter som tandhjul og mikromotorer. Disse ingeniørmæssige bestræbelser har dog mødt begrænsninger omkring 0,1 millimeter (mm).

Det skyldes kompleksiteten ved at konstruere drivtræn og koblingssystemer i så lille skala.

Men et team af forskere fra Göteborgs Universitet har endelig fundet et alternativ til at opnå dette. Publiceret i Nature beskriver studiet med titlen ‘Microscopic geared metamachines¹‘ deres tilgang, som involverer brug af optiske metasurfaces (OM) til lokalt at drive de små maskiner.

Den nye tilgang kan faktisk fremstilles ved hjælp af standard litografimetoder og sømløst integreres på chippen, hvilket gør det muligt for forskerne at opnå størrelser ned til titusinder af mikrometer (μm) med bevægelser præcise på sub‑mikrometer skala.

I deres proof of concept demonstrerede teamet konstruktionen af mikroskopiske tandhjulsdrivlinjer drevet af et enkelt drivtandhjul, med en metasurface aktiveret af en plan lysbølge. De udviklede også en “alsidig pinion og rack‑micromachine”, som kan udføre periodisk bevægelse, omdanne rotationsbevægelse og styre små spejle til lysafbøjning.

On‑chip fremstillingsprocessen muliggør enkel integration. Samtidig tillader brugen af lys som en let kontrollerbar energikilde, at miniaturiserede metamaskiner kan levere præcis bevægelse og kontrol, hvilket åbner nye muligheder for mikro‑ og nanoskalasystemer, bemærker studiet.

Nedskalering af Mekaniske Systemer for Avanceret Miniaturisering

Swipe to scroll →

Fra gamle møller til moderne robotteknik og fra simple ure til komplekse biler, er tandhjul overalt og afspejler menneskets teknologiske fremskridt.

Disse tandhjulsmekanismer er systemer, hvor indbyrdes indgribende tandhjul overfører bevægelse, kraft og energi for effektivt at udføre opgaver. Vigtige for bilindustrien, luftfart, robotteknik og andre anvendelser, giver disse systemer præcis kontrol ved at ændre hastighed og øge den mekaniske fordel.

De nuværende fremskridt inden for tandhjul fokuserer på at miniaturere dem til mikrometerskala, hvilket vil reducere affald og forbedre materialeeffektiviteten.

Dette vil også åbne nye muligheder for mekanisering og udforskning af en længdeskala, som hidtil har været uden for rækkevidde. For eksempel vil nedskalering af systemet give os en dybere forståelse af friktion og overfladeinteraktioner, samtidig med at det muliggør innovationer som højtydende mikrofluidiske enheder og omkonfigurerbare optiske teknologier.

I øjeblikket har indsatsen på dette område været centreret omkring at skabe individuelle mikromotorer, som er små objekter i stand til rotation. For at drive dem er mekanismer som statiske og AC elektriske felter, lysfelter og magnetiske felter blevet undersøgt.

Problemet har dog været at integrere mikromotorer i små, tandhjulsmekanismer, der faktisk fungerer, hvilket har skabt et behov for en skalerbar tilgang.

Det seneste forskningsgennembrud giver en løsning ved at skabe små tandhjul, der kan drives direkte af lys, og dermed muliggør konstruktionen af de mindste motorer nogensinde til on‑chip anvendelser.

Som studiet bemærkede, har de seneste fremskridt inden for aktiv materie brugt ufokuseret lys til at flytte små køretøjer ved hjælp af metasurfaces, der producerer laterale optiske kræfter via retningsbestemt lysspredning.

Mikro køretøjer med disse nanostrukturer arrangeret i et parallelt mønster har vist sig at drive fremad under lineært polariseret lys. De kan også styres ved hjælp af polariseret lys via overførsel af spinvinkelmoment.

Desuden har det vist sig, at placering af spredere i et cirkulært mønster muliggør rotation under lineært polariseret lys. Endnu mere avancerede designs bruger fire individuelt adresserbare chirale plasmoniske nanoantenner, som muliggør fuld 2D‑bevægelseskontrol ved anvendelse af dobbeltbølgelængde lys.

På baggrund af disse fremskridt har teamet skabt en tandhjulsmekanisme, der drives af optiske metasurfaces, som fungerer under stabil belysning.

Metasurfaces er specifikt konstruerede, ultratynde 2D‑materialer, der består af sub‑bølgelængde strukturer, som kontrollerer elektromagnetiske bølger ved at manipulere deres fase, amplitude og polarisation. Ved præcist at forme disse bølger muliggør metasurfaces anvendelser som linser, holografiske skærme, avancerede sensorer, effektiv energihøstning og forbedrede trådløse kommunikationssystemer.

Optiske metasurfaces (OM’er) udgør her lovende kandidater til at løse flaskehalsen med klodsede optiske elementer. De giver en ny måde at manipulere lys på baseret på spredning fra resonante nanostrukturer, og dermed tilbyde effektiv fase‑, polarisation‑ og emissionskontrol.

For at indlejre det optiske metamateriale i tandhjulene direkte på en mikrochip, brugte teamet standard fotolitografi.

Fotolitografi er en mikrofremstillingsproces, der bruger lys til at overføre et geometrisk mønster fra en fotomask på et lysfølsomt materiale (fotolak) på et substrat, såsom en silicium wafer. Denne proces er afgørende for at skabe de indviklede mønstre, der findes i halvledere.

Hvad angår materialet til tandhjulene, som hver kun er omkring nogle få titusinder af mikrometer (specifikt 0,016 μm) i diameter, brugte teamet silicium.

Silicium (Si) er et afgørende element for moderne teknologi, som fungerer som det essentielle halvledermateriale i mikrochips og transistorer. Teamet brugte det som deres primære materiale på grund af dets kompatibilitet med fotolitografi, hvilket dermed muliggør masseproduktion.

Klik her for at lære om maskeløs litografi, en game changer for chipproducenter

Revolutionerende Medicin med Små Maskiner

I stedet for at anvende traditionel mekanik brugte forskerteamet fra Göteborgs Universitet laserlys til at bygge mikroskopiske tandhjul, som ikke kun kan rotere, men også ændre retning og endda drive mikroskopiske maskiner.

Motoren er så lille, at den let kan passe ind i et hårstrå. Disse fremskridt håbes at føre til futuristiske medicinske værktøjer, som kun vil være på størrelse med menneskelige celler.

Med dette gennembrud har forskerne overvundet begrænsningen ved at bygge mindre drivtræn, som bevæger mikro‑motorer, hvilket stoppede deres fremskridt ved 0,1 mm, ved simpelthen at fjerne drivtrænnene helt.

De mikroskopiske maskiner sættes i stedet i bevægelse af laserlys. Til det brugte teamet optiske metamaterialer, de små, indviklet mønstrede strukturer, som kan opsnappe såvel som kontrollere lys med stor præcision og i meget lille skala.

Ved at skinne en laser på metamaterialet får forskerne tandhjulet til at rotere, og ved at kontrollere intensiteten af laserlyset styrer de hastigheden. Derudover kan de ændre retningen af tandhjulet ved at justere lysens polarisation.

“Vi har bygget en tandhjulsdrivlinje, hvor et lysdrevet tandhjul sætter hele kæden i bevægelse. Tandhjulene kan også omdanne rotation til lineær bevægelse, udføre periodiske bevægelser og styre mikroskopiske spejle til at afbøje lys.”

– Gan Wang, studiets første forfatter & forsker i blød stof fysik ved universitetet

Denne evne til at integrere mikroskopiske maskiner direkte på en chip og drive dem med lys åbner spændende nye muligheder.

Som et første skridt er forskerne et skridt tættere på at bygge mikromotorer, som kan skaleres op til komplekse mikrosystemer, da laserlys er let at kontrollere og ikke behøver at have fast kontakt med maskinen.

“Dette er en grundlæggende ny måde at tænke på mekanik i mikroskala. Ved at erstatte klodsede koblinger med lysbaserede kan vi endelig overvinde størrelsesbarrieren.”

– Wang

En anden mulighed er brugen af mikromaskiner og nanomaskiner, som kan manipulere små partikler eller indarbejdes i lab‑on‑a‑chip systemer, hvilket muliggør vurdering af biologiske systemer.

Brug af lys som en bredt tilgængelig og biokompatibel energikilde gør mikromotoren velegnet til at manipulere celler, bakterier og andet biologisk materiale.

Systemet brugte en standard 1064 nm laser, som har lav absorption i vand og væv, og som følge heraf mindsker enhver skade på biologiske prøver. Desuden opererer lyset ved et lavt strømforbrug, kun nogle få mW, og ligger inden for sikre grænser for biologiske systemer.

Bemærkelsesværdigt kan lyset selektivt rettes mod det drivende tandhjul, hvilket forhindrer behovet for at udsætte biologiske prøver direkte for lyskilden. Denne indirekte, ikke‑skadelige mekanisme til at levere energi udvider anvendelserne af lysdrevne metamaskiner og mikromotorer i biomedicinske miljøer.

Mere specifikt kan mikroskopiske tandhjul hjælpe med at regulere væskestrømme eller kontrollere lægemiddelleveringssystemer.

Med tandhjul, der måler 16 til 20 μm, størrelsen på visse menneskelige celler, kunne de nye mikromotorer bruges som pumper inde i den menneskelige krop til at regulere forskellige strømme, og de kan også fungere som ventiler, der åbner og lukker.

Derudover er den indviklede, flertrinsproces for on‑chip fremstilling, der anvendes her, kompatibel med den udbredte Complementary Metal‑Oxide‑Semiconductor (CMOS) litografi, hvilket kan lette en glidende integration med andre CMOS‑komponenter som plasmoniske sensorer og metalenser.

Med sine lysdrevne tandhjul i mikrometerskala lover studiet banebrydende kapaciteter i mikro‑ og nanoskalamekaniske systemer. Der er dog stadig en begrænsning i at stole på foruddesignede metasurfaces, som begrænser dynamisk bevægelsesjusterbarhed.

For at løse dette anbefalede forskerne at integrere faseovergangsmaterialer som vanadiumdioxid (VO2) i metasurface‑designet. Dette vil muliggøre realtids‑omkonfiguration af optiske egenskaber som svar på eksterne stimuli såsom lys, temperatur eller elektriske felter.

De foreslog også alternative metasurface‑materialer som TiO2 for at udvide den operationelle bølgelængde til det synlige lysområde, hvilket vil forenkle optisk kalibrering og potentielt forbedre systemets tilpasningsevne, ydeevne og anvendelighed på tværs af forskellige miljøer.

Miniaturiseringens Spring ind i Medicin

Miniaturisering har i årtier revolutioneret elektronik. Fremstillingen af mindre, mere energieffektive og højtydende enheder har gjort fremskridt inden for smartphones, wearables og kommunikationssystemer mulige.

Dette er dog lige så vigtigt inden for medicin, hvor miniaturemaskiner kan muliggøre større præcision. Sådanne værktøjer kan ikke kun forbedre diagnostik, men også muliggøre nye terapier på celleniveau og gøre sundhedspleje mere tilgængelig.

Derfor undersøger forskere at udvide miniaturisering til medicin.

Som vi så med Göteborgs metasurface‑tandhjul, løste de aktueringsflaskehalse ved at fjerne drivtræn. Et andet team har løst det ved at indlejre sensing direkte i deres maskiner og baner vejen for virkelige anvendelser af intelligente miniatureenheder.

Forskerteamet fra School of Integrated Circuits og Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, Huazhong University of Science and Technology, Kina, har udviklet miniature magneto‑ultrasoniske maskiner til trådløs robotisk sensing og manipulation.

Dette studie adresserer problemet med sensor‑aktueringsinkompatibilitet på mikroskopisk skala, som hindrer udviklingen af intelligente miniature systemer, der kan fremme biomedicinske anvendelser betydeligt.

Som en løsning foreslog forskerne en ny tilgang, der inkorporerer indlejrede ultrasoniske bløde sensorer (EUSS) med magnetiske aktuatorer. EUSS er blød, kompakt og let i design. Med en vægt på kun 4,6 milligram og dimensioner på 1,3 mm x 1,3 mm x 1,6 mm er den kompatibel med både bløde og stive komponenter i både størrelse og deformabilitet.

Desuden designede teamet ombord transducere og, ud over eksterne magnetfelter, brugte passiv ultralydskommunikation, hvilket gjorde det muligt for dem at trådløst opdage og regulere kraft, vibration, temperatur og viskositet.

Da de blev testet på kaniner og svin, fandt teamet, at enheden leverede præcis dosering af lægemidler, fysiologisk overvågning og robotisk feedbackkontrol.

I et andet tilfælde udviklede EPFL‑forskere et Miniaturiseret Hjerne‑Maskine Interface (MiBMI), som forbedrer effektiviteten såvel som skalerbarheden af BMI’er, hvilket giver en lovende måde at genoprette kontrol og kommunikation for personer med alvorlige motoriske handicap.

Da systemet er lille og lavt i strømforbrug, gør det det egnet til implantationsapplikationer, mens dets minimale invasivitet sikrer patientsikkerhed. Det er et fuldt integreret system, hvor optagelse og behandling udføres på to virkelig små chips.

“MiBMI gør det muligt for os at konvertere indviklet neural aktivitet til læsbar tekst med høj nøjagtighed og lavt strømforbrug. Denne fremskridt bringer os tættere på praktiske, implantérbare løsninger, som kan forbedre kommunikationsevner betydeligt for personer med alvorlige motoriske handicap.”

– Mahsa Shoaran, ved hvem Integrated Neurotechnologies Laboratory (INL) på EPFL udviklede enheden

Investering i Fremtiden for Miniaturiseret Teknologi

Mens Medtronic med en markedsværdi på 122,6 mia. $ (MDT ) har en bred portefølje af medicinsk udstyr såsom mikrosensorer, aktuatorer og robotassisterede enheder, og Lumentum Holdings med en markedsværdi på 12 mia. $ (LITE ) fremmer det optiske og fotoniske felt. I dag vil vi dække investeringspotentialet i SiTime Corporation (SITM ), som illustrerer hvordan MEMS (mikro‑elektromechaniske systemer) skaleres, og hvordan deres integration i chips håndteres kommercielt.

SiTime Corporation (SITM )

SiTime er et analogt og halvlederfirma, hvis produkter bruges til præcis timing i elektronik.

Netop denne uge annoncerede SiTime Corporation lanceringen af Titan Platform, en familie af MEMS‑resonatorer, der er omkring fire gange mindre end de mindste ældre kvartsalternativer. Ifølge virksomheden vil dette muliggøre “enestående miniaturisering” samt integration i små, batteridrevne enheder, som driver den næste bølge af innovation inden for medicinsk udstyr, wearables og industrielt IoT.

Med en markedsværdi på næsten 8 mia. $ handles SiTime’s aktier i øjeblikket til $306,5, op 42,3 % år‑til‑dato (YTD). Allerede sidste år i april var SITM‑aktierne under $100 og er siden steget med mere end 323 %. Aktien er også op over 106 % siden dette lavpunkt i april, i takt med det brede aktiemarked, som har nået rekordhøje niveauer.

Finansielt rapporterede virksomheden en 58 % stigning i nettoomsætning til $69,5 millioner for andet kvartal af 2025.

Dens GAAP‑bruttofortjeneste var $36,1 millioner, GAAP‑driftsomkostninger var $60,7 millioner, og GAAP‑nettab var $20,2 millioner, eller $0,84 pr. udvandet aktie. Imens var non‑GAAP‑bruttofortjeneste $40,5 millioner, non‑GAAP‑driftsomkostninger $33,3 millioner, og non‑GAAP‑nettoindkomst $11,6 millioner, eller $0,47 pr. udvandet aktie.

“SiTime’s fortsatte momentum på tværs af vores slutmarkeder viser, at vores fokus på højtydende applikationer virker. Indtægterne fra vores Communications, Enterprise og Data Center‑marked (CED) voksede 137 % år‑over‑år, drevet af AI, som skabte stærk efterspørgsel efter vores præcisions‑timingsløsninger.”

– CEO Rajesh Vashist

Virksomheden afsluttede kvartalet med $796,7 millioner i samlet kontanter, kontantekvivalenter og kortfristede investeringer.

Seneste SiTime Corporation (SITM) Aktienieheder og Udviklinger

Konklusion

Mikro‑ingeniørkunst har potentiale til at transformere vores mekaniske tilgang til mikroskopiske systemer, og det seneste gennembrud i fremstillingen af tandhjul på mikrometerskala gør dette muligt. De nyudviklede små lysdrevne tandhjul lover at revolutionere medicin ved at drive maskiner, der kun er på størrelse med menneskelige celler.

Dette afspejler overgangen af miniaturisering fra elektronik til medicin, hvilket viser, at nedskalering af teknologi ikke kun handler om effektivitet, men også om at åbne helt nye muligheder.

Over tid vil disse enheder fortsætte med at blive mindre og mere kapable, og bane vejen for autonome mikrosystemer, der en dag kan operere problemfrit inde i den menneskelige krop, hvor de vil regulere strømme, levere lægemidler og måske endda reparere væv på celleniveau.

Klik her for at lære, hvordan 3D‑printede mikroskopiske partikler kan ændre medicin og elektronik.

Referencer:

<sup>1. Wang, G., Rey, M., Ciarlo, A., Shanei, M., Xiong, K., Pesce, G., Käll, M. & Volpe, G. (2025). Mikroskopiske tandhjuls‑metamaskiner, Nature Communications, 16:7767. (Version of Record), published 20 august 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-025-62869-6
2. Liu, X., Tang, H., Li, N., He, L., Tian, Y., Hao, B., Xue, J., Yang, C., Sung, J. J. Y., Zhang, L., & Zang, J. (2025). Miniature magneto‑ultrasoniske maskiner til trådløs robotisk sensing og manipulation, Science Robotics, 10(106). (Version of Record), published 17 september 2025. https://doi.org/10.1126/scirobotics.adu4851
3. Shaeri, M., Shin, U., Yadav, A., Caramellino, R., Rainer, G., & Shoaran, M. (2024). Et 2,46 mm² miniaturiseret hjerne‑maskine‑interface (MiBMI), der muliggør 31‑klasses hjerne‑til‑tekst dekodning, IEEE Journal of Solid‑State Circuits, 59(11), 3566–3579. (Version of Record), published november 2024. https://doi.org/10.1109/JSSC.2024.3443254</sup>