Gigi yang Digerakkan Cahaya: Membangun Motor Terkecil untuk Kedokteran

Tren miniaturisasi telah meresap ke berbagai industri.

Secara khusus, upaya sedang berlangsung untuk menciptakan perangkat yang lebih kecil, lebih efisien, dan lebih kuat di berbagai bidang, termasuk elektronik, kecerdasan buatan, luar angkasa, dan kedokteran.

Konsep miniaturisasi secara sederhana melibatkan pembuatan produk dan perangkat yang lebih kecil. Hal ini menghasilkan produk yang lebih ringan, lebih kompak, dan portabel dengan kinerja yang ditingkatkan serta biaya yang lebih rendah, yang menghasilkan aksesibilitas dan inovasi yang lebih besar.

Miniaturisasi mesin mekanik sebenarnya menjadi kunci untuk memajukan nanoteknologi dan mengurangi dampak lingkungan dari perangkat. Namun, hal ini lebih kompleks karena sifat struktural bagian mekanik berubah saat skala diperkecil.

Dalam mekatronika, peneliti telah bekerja untuk memperkecil komponen mesin utama seperti roda gigi dan mikromotor selama beberapa dekade terakhir. Namun, upaya rekayasa ini menghadapi batasan sekitar 0,1 milimeter (mm).

Hal ini disebabkan oleh kompleksitas dalam membangun rangkaian penggerak dan sistem kopling pada skala sekecil itu.

Namun tim peneliti dari Universitas Gothenburg akhirnya menemukan alternatif untuk mencapainya. Dipublikasikan di Nature, studi berjudul ‘Microscopic geared metamachines¹‘ menjelaskan pendekatan mereka yang melibatkan penggunaan metasurface optik (OM) untuk menggerakkan mesin-mesin kecil secara lokal.

Pendekatan baru ini sebenarnya dapat diproduksi menggunakan metode litografi standar dan terintegrasi mulus pada chip, memungkinkan peneliti mencapai ukuran hingga puluhan mikrometer (μm) dengan gerakan yang presisi hingga skala sub-mikrometer. 

Dalam bukti konsep mereka, tim menunjukkan konstruksi rangkaian roda gigi mikroskopik yang digerakkan oleh satu roda gigi penggerak, dengan metasurface yang diaktifkan oleh gelombang cahaya datar. Mereka juga mengembangkan “mesin mikro pinion dan rack yang serbaguna,” yang mampu melakukan gerakan periodik, mentransduksi gerakan rotasi, dan mengendalikan cermin kecil untuk defleksi cahaya.

Proses fabrikasi pada chip memungkinkan integrasi yang sederhana. Sementara itu, penggunaan cahaya sebagai sumber energi yang mudah dikendalikan memungkinkan metamachine yang diminaturisasi menawarkan gerakan dan kontrol yang presisi, sehingga membuka kemungkinan baru untuk sistem mikro- dan nanoskopik, catat studi tersebut.

Memperkecil Sistem Mekanik untuk Miniaturisasi Tingkat Lanjut

Geser untuk menggulir →

Dari kincir kuno hingga robotika modern dan jam sederhana hingga mobil kompleks, roda gigi ada di mana-mana, mencerminkan kemajuan teknologi manusia. 

Mekanisme berroda gigi ini adalah sistem di mana roda gigi yang saling mengunci mentransfer gerakan, gaya, dan tenaga untuk melakukan tugas secara efisien. Penting untuk otomotif, dirgantara, robotika, dan aplikasi lainnya, sistem ini menawarkan kontrol presisi dengan mengubah kecepatan dan meningkatkan keuntungan mekanik.

Kemajuan roda gigi saat ini berfokus pada miniaturisasi hingga skala mikrometer, yang akan mengurangi limbah dan meningkatkan efisiensi material. 

Hal ini juga akan membuka kemungkinan baru untuk memekanisasi dan mengeksplorasi skala panjang yang sejauh ini masih di luar jangkauan. Misalnya, memperkecil sistem akan memberi pemahaman lebih dalam tentang gesekan dan interaksi permukaan, sekaligus memungkinkan inovasi seperti perangkat mikrofluida berperforma tinggi dan teknologi optik yang dapat dikonfigurasi ulang.

Saat ini, upaya dalam hal ini berfokus pada pembuatan mikromotor individu, yaitu objek kecil yang mampu berputar. Dan untuk memberi tenaga, mekanisme seperti medan listrik statis dan AC, medan cahaya, serta medan magnetik telah dieksplorasi.

Namun, masalahnya adalah mengintegrasikan mikromotor ke dalam mekanisme berroda gigi kecil yang benar-benar berfungsi, yang menciptakan kebutuhan akan pendekatan yang dapat diskalakan.

Terobosan riset terbaru memberikan solusi dengan menciptakan roda gigi kecil yang dapat diberi tenaga langsung oleh cahaya, sehingga memungkinkan pembuatan motor terkecil pernah ada untuk aplikasi pada chip.

Seperti yang dicatat dalam studi, kemajuan terbaru dalam materi aktif telah menggunakan cahaya tak terfokus untuk menggerakkan kendaraan kecil menggunakan metasurface yang menghasilkan gaya optik lateral melalui penyebaran cahaya terarah. 

Mikrokendaraan dengan nanostruktur ini yang disusun dalam pola paralel telah terbukti bergerak maju di bawah cahaya terpolarisasi linear. Mereka juga dapat dikendalikan menggunakan cahaya terpolarisasi melalui transfer momentum sudut spin.

Selain itu, menata penyebar dalam pola melingkar telah terbukti memungkinkan rotasi di bawah cahaya terpolarisasi linear. Desain yang lebih maju lagi menggunakan empat nanoantenna plasmonik kiral yang dapat diakses secara individual, yang memungkinkan kontrol gerakan 2D penuh dengan menerapkan cahaya dual-panjang gelombang.

Berdasarkan kemajuan ini, tim telah menciptakan mekanisme berroda gigi yang digerakkan oleh metasurface optik yang berfungsi di bawah pencahayaan terus-menerus.

Metasurface secara khusus direkayasa, material 2D ultra-tipis yang terbuat dari struktur subpanjang gelombang yang mengontrol gelombang elektromagnetik dengan memanipulasi fase, amplitudo, dan polarisasinya. Dengan membentuk gelombang ini secara presisi, metasurface memungkinkan aplikasi seperti lensa, tampilan holografik, sensor canggih, penangkapan energi yang efisien, dan sistem komunikasi nirkabel yang ditingkatkan.

Metasurface optik (OM) di sini menawarkan kandidat menjanjikan untuk mengatasi kendala elemen optik yang besar. Mereka menyediakan cara baru untuk memanipulasi cahaya berdasarkan penyebaran dari nanostruktur resonan, sehingga menawarkan kontrol fase, polarisasi, dan emisi yang efisien.

Untuk menyematkan metamaterial optik ke dalam roda gigi langsung pada mikrochip, tim menggunakan litografi foto standar.

Litografi foto adalah proses mikro-fabrikasi yang menggunakan cahaya untuk mentransfer pola geometris dari fotomask ke bahan sensitif cahaya (fotoresist) pada substrat, seperti wafer silikon. Proses ini kunci untuk menciptakan pola rumit yang ditemukan pada semikonduktor.

Mengenai bahan yang digunakan untuk roda gigi, masing-masing hanya berdiameter beberapa puluh mikrometer (spesifiknya 0,016 μm), tim menggunakan silikon.

Silikon (Si) adalah elemen penting untuk teknologi modern yang berfungsi sebagai bahan semikonduktor esensial dalam mikrochip dan transistor. Tim menggunakannya sebagai bahan utama karena kompatibilitasnya dengan litografi foto, sehingga memfasilitasi produksi skala besar.

Klik di sini untuk mempelajari litografi tanpa masker, pengubah permainan bagi produsen chip

Merevolusi Kedokteran dengan Mesin Kecil

Alih-alih menggunakan mekanik tradisional, tim riset di Universitas Gothenburg menggunakan cahaya laser untuk membangun roda gigi mikroskopik yang tidak hanya dapat berputar tetapi juga mengubah arah dan bahkan memberi tenaga pada mesin mikroskopik.

Motor ini begitu kecil sehingga dapat muat dengan baik di dalam seutas rambut. Kemajuan ini diharapkan menghasilkan alat kedokteran futuristik yang hanya berukuran sel manusia.

Dengan terobosan ini, peneliti telah mengatasi batasan dalam membangun rangkaian penggerak yang lebih kecil untuk menggerakkan mikro-mesin, yang sebelumnya terhenti pada 0,1 mm, dengan cara menghilangkan rangkaian penggerak sepenuhnya.

Mesin mikroskopik justru digerakkan oleh cahaya laser. Untuk itu, tim menggunakan metamaterial optik, struktur kecil yang rumit pola yang dapat menangkap sekaligus mengontrol cahaya dengan presisi tinggi dan pada skala sangat kecil.

Dengan memancarkan laser pada metamaterial, peneliti membuat roda gigi berputar, dan dengan mengontrol intensitas cahaya laser, mereka mengontrol kecepatan. Lebih lagi, mereka dapat mengubah arah roda gigi dengan menyesuaikan polarisasi cahaya. 

“Kami telah membangun rangkaian roda gigi di mana roda gigi yang digerakkan cahaya menggerakkan seluruh rantai. Roda gigi juga dapat mengubah rotasi menjadi gerakan linear, melakukan gerakan periodik, dan mengendalikan cermin mikroskopik untuk menebakkan cahaya.”

– Gan Wang, penulis pertama studi & peneliti fisika materi lunak di Universitas

Kemampuan ini untuk mengintegrasikan mesin mikroskopik langsung pada chip dan menggerakkannya dengan cahaya membuka kemungkinan baru yang menarik. 

Sebagai langkah awal, peneliti semakin dekat untuk membangun mikromotor, yang dapat diskalakan menjadi mikrosistem kompleks, karena cahaya laser mudah dikendalikan dan tidak memerlukan kontak tetap dengan mesin.

“Ini adalah cara berpikir yang secara fundamental baru tentang mekanika pada skala mikroskopik. Dengan menggantikan kopling besar dengan kopling cahaya, kita akhirnya dapat mengatasi batasan ukuran.”

– Wang

Kemungkinan lain adalah penggunaan mikromesin dan nanomesin, yang dapat memanipulasi partikel kecil atau dimasukkan ke dalam sistem lab-pada-chip, memungkinkan penilaian sistem biologis.

Menggunakan cahaya sebagai sumber energi yang luas tersedia dan biokompatibel membuat mikromotor sangat cocok untuk memanipulasi sel, bakteri, dan materi biologis lainnya. 

Sistem ini menggunakan laser standar 1064 nm, yang memiliki penyerapan rendah oleh air dan jaringan, sehingga mengurangi kerusakan pada sampel biologis. Selain itu, cahaya beroperasi dengan kebutuhan daya rendah, hanya beberapa mW, dan berada dalam ambang aman untuk sistem biologis. 

Secara khusus, cahaya dapat diarahkan secara selektif ke roda gigi penggerak, yang mencegah kebutuhan untuk mengekspos sampel biologis secara langsung ke sumber cahaya. Mekanisme tidak langsung ini memperluas aplikasi mesin metahari yang digerakkan cahaya dan mikromotor dalam lingkungan biomedis.

Lebih spesifik lagi, roda gigi mikroskopik dapat membantu mengatur aliran cairan atau mengendalikan sistem pemberian obat.

Dengan roda gigi berukuran 16 hingga 20 μm, seukuran beberapa sel manusia, mikromotor baru ini dapat digunakan sebagai pompa di dalam tubuh manusia untuk mengatur berbagai aliran, dan juga dapat berfungsi sebagai katup yang membuka dan menutup.

Selain itu, proses fabrikasi pada chip yang rumit dan multi-langkah yang digunakan di sini kompatibel dengan litografi Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) yang banyak dipakai, yang dapat memfasilitasi integrasi mulus dengan komponen CMOS lain seperti sensor plasmonik dan metalens.

Dengan roda gigi berdaya cahaya berukuran mikrometer, studi ini menjanjikan kemampuan terobosan dalam sistem mekanik mikro- dan nanoskopik. Namun, masih ada keterbatasan dalam mengandalkan metasurface yang telah dirancang sebelumnya, yang membatasi kemampuan penyesuaian gerakan dinamis.

Untuk mengatasi hal ini, peneliti merekomendasikan integrasi material transisi fase seperti vanadium dioksida (VO2) ke dalam desain metasurface. Ini akan memungkinkan konfigurasi ulang properti optik secara real-time sebagai respons terhadap rangsangan eksternal seperti cahaya, suhu, atau medan listrik. 

Mereka juga menyarankan material metasurface alternatif seperti TiO2 untuk memperluas panjang gelombang operasional ke wilayah cahaya tampak, yang akan menyederhanakan kalibrasi optik dan berpotensi meningkatkan adaptabilitas, kinerja, dan penerapan sistem di berbagai lingkungan.

Lompatan Miniaturisasi ke Kedokteran

Miniaturisasi telah merevolusi elektronik selama beberapa dekade. Pembuatan perangkat yang lebih kecil, lebih hemat energi, dan berperforma tinggi telah memungkinkan kemajuan pada smartphone, perangkat wearable, dan sistem komunikasi.

Hal ini, bagaimanapun, sama pentingnya dalam kedokteran, di mana mesin miniatur dapat memungkinkan presisi yang lebih tinggi. Alat semacam itu tidak hanya dapat meningkatkan diagnostik tetapi juga memungkinkan terapi baru pada tingkat seluler dan membuat perawatan kesehatan lebih mudah diakses.

Oleh karena itu, peneliti sedang mengeksplorasi memperluas miniaturisasi ke kedokteran.

Seperti yang kita lihat dengan roda gigi metasurface Gothenburg, mereka menyelesaikan kendala aktuasi dengan menghilangkan rangkaian penggerak. Tim lain telah menyelesaikannya dengan menyematkan sensor langsung ke dalam mesin mereka dan membuka jalan bagi aplikasi dunia nyata perangkat miniatur cerdas.

Tim peneliti dari School of Integrated Circuits dan Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, Huazhong University of Science and Technology, China, telah mengembangkan mesin magneto-ultrasonik miniatur² untuk sensing robotik nirkabel dan manipulasi.

Studi ini menangani masalah ketidakcocokan sensor‑aktuasi pada skala mikroskopik yang menghambat pengembangan sistem miniatur cerdas yang dapat secara signifikan memajukan aplikasi biomedis. 

Sebagai solusi, peneliti mengusulkan pendekatan baru yang menggabungkan sensor lunak ultrasonik tersemat (EUSS) dengan aktuator magnetik. EUSS bersifat lunak, kompak, dan ringan dalam desain. Dengan berat hanya 4,6 miligram dan dimensi 1,3 mm x 1,3 mm x 1,6 mm, ia kompatibel dengan komponen lunak maupun kaku baik dalam ukuran maupun deformabilitas. 

Selain itu, tim merancang transduser onboard dan, selain medan magnetik eksternal, menggunakan komunikasi ultrasonik pasif, yang memungkinkan mereka mendeteksi dan mengatur gaya, getaran, suhu, dan viskositas secara nirkabel.

Saat diuji pada kelinci dan babi, tim menemukan perangkat tersebut menawarkan dosis obat yang akurat, pemantauan fisiologis, dan kontrol umpan balik robotik.

Dalam contoh lain, peneliti EPFL mengembangkan³ Antarmuka Otak‑Mesin Miniatur (MiBMI) yang meningkatkan efisiensi serta skalabilitas BMI, yang menawarkan cara menjanjikan untuk mengembalikan kontrol dan komunikasi pada individu dengan gangguan motorik berat.

Karena kecil dan berdaya rendah, sistem ini membuatnya cocok untuk aplikasi implan, sementara invasivitas minimalnya memastikan keamanan pasien. Ini adalah sistem terintegrasi penuh dengan perekaman dan pemrosesan yang dilakukan pada dua chip yang sangat kecil. 

“MiBMI memungkinkan kami mengubah aktivitas neural yang rumit menjadi teks yang dapat dibaca dengan akurasi tinggi dan konsumsi daya rendah. Kemajuan ini membawa kami lebih dekat ke solusi implan praktis yang dapat secara signifikan meningkatkan kemampuan komunikasi bagi individu dengan gangguan motorik berat.”

– Mahsa Shoaran, di Laboratorium Neuroteknologi Terintegrasi (INL) EPFL tempat perangkat ini dikembangkan

Berinvestasi dalam Masa Depan Teknologi Miniaturisasi

Sementara kapitalisasi pasar $122,6 miliar Medtronic Medtronic (MDT ) memiliki portofolio luas dalam perangkat medis seperti mikro‑sensor, aktuator, dan perangkat robotik bantu, dan kapitalisasi pasar $12 miliar Lumentum Holdings Lumentum Holdings (LITE ) sedang memajukan bidang optik dan fotonik. Hari ini, kami akan membahas potensi investasi SiTime Corporation SiTime Corporation (SITM ), yang menggambarkan bagaimana MEMS (sistem mikro‑elektromekanik) berskala dan bagaimana integrasinya ke dalam chip ditangani secara komersial.

SiTime Corporation (SITM )

SiTime adalah perusahaan analog dan semikonduktor yang produknya digunakan untuk penentuan waktu yang presisi dalam elektronik.

Minggu ini saja, SiTime Corporation mengumumkan peluncuran Titan Platform, keluarga resonator MEMS yang sekitar empat kali lebih kecil daripada alternatif kuarsa warisan terkecil. Menurut perusahaan, ini akan memungkinkan “miniaturisasi yang belum pernah terjadi sebelumnya” serta integrasi dalam perangkat kecil berbaterai, menggerakkan gelombang inovasi selanjutnya dalam perangkat medis, wearable, dan IoT industri.

Dengan kapitalisasi pasar hampir $8 miliar, saham SiTime saat ini diperdagangkan pada $306,5, naik 42,3% sejak awal tahun (YTD). Pada April tahun lalu, saham SITM berada di bawah $100 dan telah melonjak lebih dari 323% sejak saat itu. Saham juga naik lebih dari 106% sejak terendah April ini, sejalan dengan pasar saham luas yang telah mencapai rekor tertinggi. 

Secara finansial, perusahaan melaporkan peningkatan 58% dalam pendapatan bersih menjadi $69,5 juta untuk kuartal kedua 2025.

Laba kotor GAAP sebesar $36,1 juta, biaya operasional GAAP $60,7 juta, dan rugi bersih GAAP $20,2 juta, atau $0,84 per saham terdilusi. Sementara itu, laba kotor non‑GAAP $40,5 juta, biaya operasional non‑GAAP $33,3 juta, dan laba bersih non‑GAAP $11,6 juta, atau $0,47 per saham terdilusi.

“Momentum berkelanjutan SiTime di seluruh pasar akhir kami menunjukkan bahwa fokus kami pada aplikasi berperforma tinggi berhasil. Pendapatan dari pasar Komunikasi, Enterprise, dan Data Center (CED) tumbuh 137% tahun ke tahun, didorong oleh AI yang menciptakan permintaan kuat untuk solusi Penentuan Waktu Presisi kami.”

– CEO Rajesh Vashist

Perusahaan mengakhiri kuartal dengan $796,7 juta dalam total kas, setara kas, dan investasi jangka pendek.

Berita dan Perkembangan Saham SiTime Corporation (SITM) Terbaru

Kesimpulan

Mikro‑rekayasa berpotensi mengubah pendekatan mekanik kita terhadap sistem mikroskopik, dan terobosan terbaru dalam penciptaan roda gigi pada skala mikrometer membuat hal itu mungkin. Roda gigi kecil berdaya cahaya yang baru dikembangkan menjanjikan untuk merevolusi kedokteran dengan memberi tenaga pada mesin yang hanya berukuran sel manusia.

Hal ini mencerminkan transisi miniaturisasi dari elektronik ke kedokteran, yang menunjukkan bahwa memperkecil teknologi tidak hanya tentang efisiensi tetapi juga tentang membuka kemungkinan baru sepenuhnya.

Seiring waktu, perangkat ini akan terus menjadi lebih kecil dan lebih mampu, membuka jalan bagi mikrosistem otonom yang suatu hari nanti dapat beroperasi mulus di dalam tubuh manusia, di mana mereka akan mengatur aliran, memberikan obat, dan bahkan dapat memperbaiki jaringan pada tingkat seluler.

Klik di sini untuk mempelajari bagaimana partikel mikroskopik yang dicetak 3D dapat mengubah kedokteran dan elektronik.

Referensi:

<sup>1. Wang, G., Rey, M., Ciarlo, A., Shanei, M., Xiong, K., Pesce, G., Käll, M. & Volpe, G. (2025). Microscopic geared metamachines. Nature Communications, 16:7767. (Versi Rekaman), dipublikasikan 20 Agustus 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-ultrasonic machines for wireless robotic sensing and manipulation. Science Robotics, 10(106). (Versi Rekaman), dipublikasikan 17 September 2025. https://doi.org/10.1126/scirobotics.adu4851
3. Shaeri, M., Shin, U., Yadav, A., Caramellino, R., Rainer, G., & Shoaran, M. (2024). A 2.46-mm² miniaturized brain–machine interface (MiBMI) enabling 31-class brain-to-text decoding. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 59(11), 3566–3579. (Versi Rekaman), dipublikasikan November 2024. https://doi.org/10.1109/JSSC.2024.3443254</sup>