Brug af mikroboter til at holde havet rent

Researchers har fundet en effektiv måde at holde verdens vandveje renere på. En undersøgelse offentliggjort i ACS Nano i denne uge forklarer, hvordan mikroboter kan reducere plastforurening i vandmiljøer. Disse magnetisk-drevne enheder tilbyder en bæredygtig og genanvendelig løsning på markedet. Her er alt, hvad du behøver at vide om, hvordan forskerne ønsker at bruge små robotter til at bekæmpe forurening.

Mikroplastik forårsager problemer

Mikroplastik er et stort problem for verden. Disse små partikler dannes over tid, når plastprodukter nedbrydes. Mikroplastik måler -5 mikrometer i størrelse, hvilket gør dem meget svære at indsamle fra vandmiljøer. Desværre udgør disse små plastpartikler økologiske og sundhedsmæssige risici, når de efterlades urørte.

Fødekæder

Et stort problem med mikroplastik er, at de bliver spist af fisk og andet havliv. Disse partikler indtages, hvilket introducerer mikroplastik i fødekæden. Desværre stopper cyklussen ikke; selv efter at mikroplastikken når menneskelig forbrug, vender den tilbage til miljøet.
Afføringsprøver har bekræftet, at mikroplastik har forurenet miljøet så meget, at det nu er en del af din krop. En undersøgelse fandt, at den gennemsnitlige person spiser 50.000 plastpartikler årligt. I dag kan disse skadelige partikler findes i næsten alle aspekter af livet, hvilket gør det altafgørende at implementere reduktionssystemer.

Bakterier

Mikroplastik er skadelig for hjerneudviklingen og forårsager andre sygdomme. Disse små plastpartikler tiltrækker problematisk vækst fra alger og bakterier. Disse arter skaber patogener og forårsager sygdom, hvis de indtages eller indåndes over længere perioder. Specifikt har studier knyttet luftvejs- og hjerte-kar-sygdomme til mikroplastik i luft, jord og vand. Derfor er der et stort behov for at reducere deres miljømæssige og sundhedsmæssige påvirkning.

Mikroboter

Mikroboter er små maskiner, der ofte indeholder én bevægelig komponent, som kan aktiveres ved hjælp af elektriske, kemiske eller magnetiske kræfter. Der er mange anvendelser for disse små robotter, fra sundhedspleje til sikkerhed og tryghed. I dette tilfælde ønskede forskerne at skabe en magnetisk drevet og kontrolleret sværm, der kunne styres ud fra strøm.

Deres kreation var en 2,8-mikrometer stor, magnetisk kontrolleret mikrobot. Ud fra mikrobotternes kroppe strækker polymeriske sekvestrerende tråde sig med positivt ladede magnetiske partikler. Denne struktur gør det muligt at samle og styre armene og robotterne via magneter. Specifikt udnyttede forskerne amine-modificerede Dynabeads funktionelt med den carboxylholdige ligand poly (N-[3-(dimethylamino)propyl] methacrylamide).

Sværme forbedrer ydeevnen

Disse robotters lille størrelse gør dem ineffektive til at udføre de fleste opgaver alene. Dog udnytter disse systemer sværme til effektivt at udføre komplekse opgaver. Ligesom i naturen skaber sværme effektivitet og sikrer, at et enkelt fejlpunkt ikke forhindrer nødvendige opgaver i at blive udført. Som sådan er mikroboter et andet eksempel på, at mennesker efterligner naturen.
I dette tilfælde kan de magnetiske tråde organisere sig, når et magnetfelt påføres. Når de er kombineret, kan magnetfeltet bruges til at koordinere bevægelser for sværmen som en sammenhængende enhed. Denne bevægelse kan indsamle mikroplastik og bakterier uden at efterlade yderligere affald.

Eksperimenter og test

Forskerne begyndte at teste deres magnetisk kontrollerede polymeriske mikrorobot-sværme i vandrensningsopgaver for at vurdere deres effektivitet og pålidelighed. De fandt, at når de selvorganiserede sig i roterende planer, fjernede disse små maskiner en betydelig mængde forurening fra vandet med minimale strømkrav.
Deres test startede med at skabe et kunstigt forurenet miljø. Forskerne gennemførte dette ved at introducere små 1-mikrometer brede fluorescerende polystyrenperler i testvandet. Derefter introducerede forskerne bakterier i ligningen. De brugte den almindelige lungebetændelsesbakterie kaldet Pseudomonas aeruginosa, for at sikre et virkelighedsnært eksempel.

Tilføjelse af mikroboterne

Mikroboterne blev tilsat testmiljøet, og et magnetfelt blev påført gruppen. Bemærkelsesværdigt blev magnetfeltet holdt roterende i 30 minutter. Derudover blev det slukket hver 10. sekund. Feltet fik mikroboterne til at koncentrere sig til en koncentration på 7,5 milligram per millimeter, hvilket viste sig at være ideelt til oprydningsopgaver.

Styring af mikrobot-sværmen

Forskerne fandt, at de opnåede betydelig kontrol over enhederne gennem magnetiske forstærkninger. De justerede sværmens retning, hastighed, størrelse og tykkelse. Derudover var de i stand til at koordinere formationer, der forbedrede specifikke opgaver såsom fremdrift eller sortering.

Rengøringsresultater

Den tætte sværm fangede 80 % af bakterierne og mikroplastikforureningen ved sin første gennemløb. Bemærkelsesværdigt forblev de indsamlede forurenende stoffer fastgjort til mikroboterne efter deres udtrækning fra vandet. Ultrasoniske bølger blev derefter anvendt på mikroboterne i en opløsning, der gjorde det muligt at frigive mikroplastikken og bakterierne i en sikker, indespærret enhed.
Dekontamineringsprocessen omfattede et ultralydsbad for at dræbe bakterier, før de gennemgik ultraviolet behandling. Sammen eliminerede disse trin 99 % af bakterierne fra robotterne, så de igen blev sikre til genbrug. Omhyggeligt betyder dette rengøringsregime, at robotterne er genanvendelige med kun en lille forringelse i resultaterne.

Forskere

Forskningsholdet bag dette projekt blev ledet af Martin Pumera. Som en del af deres strategi måtte holdet udvikle nye metoder til fremstilling, bevægelsesanalyse og anvendelse. Deres forskning beviste deres tese og åbnede døren for mere komplekse processer og funktionaliteter i fremtiden.

Potentielle anvendelsesområder

Der er et stort behov for genanvendelige vandfiltreringssystemer, der leverer konsistente resultater. At få adgang til, filtrere og levere rent vand er blevet en vital del af livet. Her er nogle potentielle anvendelsesscenarier for mikrorobot-filtreringssystemer i fremtiden.

Vandbehandling

Små maskiner er ideelle til at rense vandforsyninger. De kan introduceres med minimal indsats og indsamles let. Bemærkelsesværdigt mangler de nuværende vandrensningssystemer den nødvendige ydeevne og er afhængige af ikke-bæredygtige mekaniske eller kemiske systemer. Omhyggeligt efterlader mikroboter ingen rester, hvilket gør dem til et bedre alternativ.

Rensning af havet

En miles bredt ø af flydende affald findes i midten af havet og fortsætter med at udvide sig. Denne forfærdelige økologiske situation er en af mange, som plastaffald har forårsaget. Mikroplastik fra disse steder fortsætter med at skade miljøet, hvilket igen medfører sundhedsrisici.

Mikrorobotiske rengøringsløsninger kan introduceres i disse farlige områder og påbegynde oprydningsprocessen uden menneskelig indgriben. Derudover kan disse systemer skaleres for at imødekomme fremtidige behov og kombineres med andre teknologier som plastspisende mikrober, der eliminerer affaldet efter indsamling.

Sundhedspleje

Mikroboter kan hjælpe med at skabe lavprismedikamenter og andre livredende systemer. På kort sigt kan disse enheder hjælpe med at levere rene vandløsninger, når de er nødvendige. Disse robotter kan snart blive almindelige på hospitaler, hvor de kan bruges som et ekstra filtreringssystem for at sikre højere kvalitet.
Der kan også komme en bølge af startups, der udnytter denne teknologi til at drive markedet for hjemmevandsrensning. Vandkvalitet er en global bekymring, og denne teknologi tilbyder en af de reneste tilgængelige løsninger.

Byggeri og fremstilling

Magnetisk kontrollerede robotter kan i fremtiden bruges til at skabe stærkere bygninger og produkter. For eksempel kan disse enheder hjælpe et køretøjspanel med at vende tilbage til en forudindstillet tilstand, når magnetisk kraft påføres. Som sådan kunne de en dag bruges til at holde højspændingsområder på jetfly, raketter, både, biler og endda skyskrabere sammen.

Fordele ved at bruge mikroboter

Mikroboter bringer mange fordele til ligningen. For det første kan de let fremstilles, implementeres, styres og indsamles. Disse enheder kan også integrere sensorer, som hjælper med at levere værdifulde data, der kan bruges til at forbedre anti-forureningsindsatsen betydeligt.

Genanvendelige mikroboter

Et af de største gennembrud i denne forskning er muligheden for at genbruge robotterne. Der er et lille præstationsnedslag ved hver cyklus. Dog er dette et lille tab i ydeevne, som sværmeadfærd hjælper med at kompensere. Derudover betyder de lave driftsomkostninger, at enhver en dag kan skabe massive sværme, der forbedrer effektiviteten på tværs af industrier.

Kontrolleret frigivelse

En anden stor fordel ved denne udvikling er muligheden for at udføre en kontrolleret frigivelse af toksinerne. Det har været notorisk svært at finde metoder til at rense vandmiljøer og filtrere farligt materiale uden at efterlade kemisk rester. Denne metode fjerner kemikalier fra ligningen, hvilket gør den meget sikrere og mere bæredygtig.

Magnetisk energi

Brugen af magnetisk energi til at organisere og drive disse små robotter tilføjer et ekstra lag af fordele til ligningen. Magnetiske interaktioner kræver ikke, at robotterne har batterier. Som sådan har ingeniørerne reduceret størrelse, vægt og andre faktorer.

Virksomheder, der kan drage fordel af disse udviklinger

Mange industrier kan drage fordel af vandrensende mikroboter. Miljøet har brug for løsninger til fjernelse af mikroplastik. Derudover kan sundhedspleje og rensningstjenester udnytte denne teknologi til at forbedre deres tilbud. Her er nogle få virksomheder med potentiale til at drage fordel af disse fremskridt i fremtiden.

Ginkgo Bioworks Holdings, Inc.

DNA Prisdiagram

Ginkgo Bioworks (DNA ) Inc. er et bioteknologisk firma, der specialiserer sig i organiske løsninger. Virksomheden tilbyder nyttige industrielle bioteknologi-tjenester, der reducerer omkostninger og forbedrer effektiviteten. Bemærkelsesværdigt blev firmaet grundlagt af 5 MIT-afluttede og har i dag Jason Kelly som administrerende direktør. I dag er Ginkgo Bioworks Holdings et fremtrædende navn på markedet.
Ginkgo Bioworks har oplevet betydelig vækst. I 2022 erhvervede den Bayer’s Biologics Research & Development-anlæg og indledte et strategisk partnerskab. Virksomhedens aktier har set et let fald i værdi i løbet af det sidste år i takt med resten af markedet. Dog gør Ginkgo Bioworks Holdings’ markedsposition og avancerede proprietære løsninger den til et stærkt supplement til enhver portefølje.

Imina Technologies S.A.

Imina Technologies specialiserer sig i robotplatforme. Forsknings- og fremstillingsvirksomheden har flere produkter, der muliggør mikro- og nanoskalainteraktioner. Deres førende produkt, miBot, er verdens mest kompakte robot med fire frihedsgrader, der er kommercielt tilgængelig.
Den ubundne konstruktion af robotten gør den ideel til frit at scanne mikroskopiske overflader. Robotten kan naturligt tilpasse sig et skiftende miljø. Derudover bruger den magnetiske linser til at producere højopløsningsbilleder, der kan anvendes i flere anvendelser. Denne robot kan en dag bruges til at overvåge mikrorobotens fremskridt og mere.

Fremtiden for mikroboter

Fremtiden for mikrorobotik ser lys ud, med AI og andre teknologier, der spiller en stigende rolle og driver innovation. I fremtiden vil nano- og mikrorobotik blive en del af hverdagen. Disse små arbejdere kan udføre opgaver som sikkerhedsscanninger, reparation, vedligeholdelse og mere.
Nanoteknologi er på fremmarch, og introduktionen af selvforsynende enheder har åbnet døren for nye anvendelser. Der findes mini-robotter, der driver sig selv af statisk elektricitet eller andre let tilgængelige muligheder i dag. Disse udviklinger gør det muligt at bruge mikroboter til at bekæmpe bakterier på nye og fordelagtige steder. Som sådan er mikrorobotfeltet et, man bør holde øje med.

Mikroboter kan redde liv

Denne udvikling har potentialet til at redde millioner af liv i og uden for havet i de kommende år. Løsningen på forurening er ikke et enkelt svar. I stedet skal verden se på alle tilgængelige muligheder og kombinere dem, der giver mening. Mikrorobotiske vandrensningssystemer tilbyder unikke fordele, der gør dem værd at udforske.
At kombinere disse indsatser med bæredygtig energi og reducere forurening er nøglen til succes. Sammen kan denne flerfacetterede tilgang være det, der er nødvendigt for at vende tiden tilbage på forurening. For nu arbejder forskerne døgnet rundt med at finde løsninger.

Et renere hav er bedre for alle

Brug af mikroboter til at bekæmpe forurening på nanoskalering giver mening af flere grunde. For det første er de korrekt dimensioneret til at udføre arbejdet. Disse mikroskopiske enheder kan gøre meget, når de arbejder i sværme, og når de kombineres med anden teknologi som AI, blockchain og IoT, bliver resultaterne let sporbare på tværs af verden. Af disse og mange andre grunde har dette projekt stort potentiale.

Lær om andre spændende miljøprojekter her