גלגלי שיניים מונעים על ידי אור: בניית המנועים הקטנים ביותר לרפואה

מגמת המזעור חלחלה למגוון רחב של תעשיות.

בפרט, מתקיימים מאמצים ליצור מכשירים קטנים, יעילים וחזקים יותר בתחומים שונים, כולל אלקטרוניקה, בינה מלאכותית, חלל ורפואה.

מושג המזעור בפשטות כרוך בייצור של מוצרים ומכשירים קטנים יותר. התוצאה היא מוצרים קלים יותר, קומפקטיים וניידים יותר עם ביצועים משופרים ועלויות נמוכות יותר, מה שמוביל לנגישות וחדשנות רבה יותר.

מזעור של מכונות מכניות הוא למעשה המפתח לקידום הננוטכנולוגיה ולהפחתת ההשפעה הסביבתית של המכשיר. עם זאת, מדובר במורכבות רבה יותר בשל האופן שבו התכונות המבניות של חלקים מכניים משתנות ככל שהם מופחתים.

במכטרוניקה, חוקרים עובדים על צמצום רכיבי מכונות מרכזיים כמו גלגלי שיניים ומיקרו-מנועים במשך העשורים האחרונים. עם זאת, מאמצים מהונדסים אלה התמודדו עם מגבלות של כ-0.1 מילימטרים. (מ"מ).

זאת בשל המורכבות הכרוכה בבניית מערכת הנעה ומערכות צימוד בקנה מידה כה קטן.

אבל צוות חוקרים מאוניברסיטת גטבורג מצא סוף סוף חלופה להשגת מטרה זו. המחקר, שפורסם בכתב העת Nature, תחת הכותרת 'מטא-מכונות בעלות הילוכים מיקרוסקופיים¹ מפרט את גישתם הכוללת שימוש במטא-משטחים אופטיים (OM) להניע באופן מקומי את המכונות הזעירות.

הגישה החדשה יכולה למעשה להיות מפוברק באמצעות שיטות ליתוגרפיה סטנדרטיות ומשולבות בצורה חלקה על השבב, מה שמאפשר לחוקרים להשיג גדלים עד עשרות מיקרומטרים (מיקרומטר) עם תנועות מדויקות בקנה מידה של תת-מיקרומטר. 

בהוכחת היתכנות שלהם, הצוות הדגים את בנייתן של מערכות גלגלי שיניים מיקרוסקופיות המופעלות על ידי גלגל שיניים יחיד, עם מטא-משטח המופעל על ידי גל אור מישורי. הם גם פיתחו "מיקרו-מכונה רב-תכליתית של גלגלי שיניים ומדף", המסוגלת לבצע תנועה מחזורית, להמיר תנועה סיבובית ולשלוט במראות זעירות לצורך הסטת אור.

תהליך הייצור על השבב מאפשר אינטגרציה פשוטה. בינתיים, השימוש באור כמקור אנרגיה קל לשליטה מאפשר למטא-מכונות ממוזערות להציע תנועה ובקרה מדויקות, ובכך לפתוח אפשרויות חדשות עבור מערכות בקנה מידה מיקרוני וננומטרי, ציין המחקר.

צמצום מערכות מכניות למזעור מתקדם

החלק כדי לגלול →

מטחנות עתיקות ועד לרובוטיקה מודרנית ושעונים פשוטים ועד מכוניות מורכבות, גלגלי שיניים נמצאים בכל מקום, ומשקפים את התקדמות הטכנולוגיה האנושית. 

מנגנוני גלגלי שיניים אלה הם מערכות בהן גלגלי שיניים משתלבים מעבירים תנועה, כוח ועוצמה כדי לבצע משימות ביעילות. מערכות אלו הן קריטיות ליישומים בתחום הרכב, התעופה והחלל, הרובוטיקה ויישומים אחרים. הַצָעָה שליטה מדויקת על ידי משתנה מהירות ו גדל יתרון מכני.

ההתקדמות הנוכחית בתחום הציוד מתמקדת במזעור שלו לקני מידה מיקרומטריים, מה שיפחית את הפסולת וישפר את יעילות החומרים. 

זֶה יפתח גם אפשרויות חדשות למיכון ולחקירת סולם אורך שעד כה שְׂרִידִים מחוץ להישג ידם. לדוגמה, צמצום המערכת יספק לנו הבנה עמוקה יותר אל תוך חיכוך ואינטראקציות משטחיות, תוך מתן אפשרות לחדשנות כמו התקני מיקרופלואידיקה בעלי ביצועים גבוהים וטכנולוגיות אופטיות הניתנות להגדרה מחדש.

נכון לעכשיו, המאמצים בתחום זה נעשו היה מרוכז על יצירת מיקרו-מנועים בודדים, שהם עצמים זעירים המסוגלים להסתובב. וכדי להפעיל אותם, נחקרו מנגנונים כמו שדות חשמל סטטיים וחשמליים AC, שדות אור ושדות מגנטיים.

עם זאת, הבעיה הייתה שילוב מיקרו-מנועים במנגנונים קטנים עם הילוכים שבאמת פועלים, מה שיצר צורך בגישה ניתנת להרחבה.

פריצת הדרך המחקרית האחרונה מספקת פתרון על ידי יצירת גלגלי שיניים זעירים שניתן להפעיל ישירות על ידי אור, ובכך לאפשר בניית המנועים הקטנים ביותר אי פעם עבור יישומים על שבב. 

כפי שציין המחקר, התקדמויות אחרונות בתחום החומר הפעיל השתמשו באור לא ממוקד כדי להזיז כלי רכב זעירים באמצעות מטא-משטחים המייצרים כוחות אופטיים רוחביים באמצעות פיזור אור כיווני. 

למיקרו-כלי רכב עם ננו-מבנים אלה המסודרים בתבנית מקבילה יש הוצג כדי להניע קדימה תחת אור מקוטב ליניארי. הם יכולים גם להיות נשלט באמצעות אור מקוטב באמצעות העברת תנע זוויתי של ספין.

יתר על כן, סידור המפזרים בתבנית מעגלית הוכח כמאפשר סיבוב תחת אור מקוטב ליניארי. אפילו עיצובים מתקדמים יותר משתמשים בארבע ננו-אנטנות פלסמוניות כיראליות הניתנות לכתובת בנפרד, המאפשרות בקרת תנועה דו-ממדית מלאה על ידי יישום אור בעל אורכי גל כפולים.

בהתבסס על התקדמויות אלו, הצוות יצר מנגנון בעל גלגלי שיניים המונע על ידי מטא-משטחים אופטיים הפועלים תחת תאורה קבועה.

משטחי מטסה מהונדסים במיוחד, חומרים דו-ממדיים דקים במיוחד אשר נעשים של מבנים תת-אורך גל השולטים בגלים אלקטרומגנטיים על ידי מניפולציה של הפאזה, האמפליטודה והקיטוב שלהם. על ידי עיצוב מדויק של גלים אלה, מטא-משטחים מאפשרים יישומים כמו עדשות, צגים הולוגרפיים, חיישנים מתקדמים, קצירת אנרגיה יעילה, ו משופר מערכות תקשורת אלחוטיות.

מטא-משטחים אופטיים (OMs) מציעים כאן מועמדים מבטיחים לפתרון צוואר הבקבוק של אלמנטים אופטיים מגושמים. הם מספקים דרך חדשה לתמרן אור המבוססת על פיזור ממבנים ננו-רזוננטיים, ובכך מציעים בקרת פאזה, קיטוב ופליטה יעילה.

על מנת להטמיע את המטא-חומר האופטי בגלגלי השיניים ישירות על גבי שבב מיקרו, הצוות השתמש בפוטוליגרפיה סטנדרטית.

פוטוליתוגרפיה היא תהליך מיקרו-ייצור אשר משתמש באור כדי להעביר תבנית גיאומטרית מפוטומסכה על גבי חומר רגיש לאור (פוטורזיסט) על גבי מצע, כגון פרוסת סיליקון. תהליך זה הוא המפתח ליצירת התבניות המורכבות המצויות במוליכים למחצה.

באשר לחומר המשמש להילוכים, שכל אחד מהם בקוטר של ככמה עשרות מיקרומטרים (0.016 מיקרומטר ספציפית), הצוות השתמש בסיליקון.

סיליקון (Si) הוא יסוד חיוני ל טכנולוגיה מודרנית שמשרת כחומר מוליך למחצה החיוני בשבבים וטרנזיסטורים. הצוות השתמש בו כחומר העיקרי שלו ל התאימות שלו עם פוטוליתוגרפיה, ובכך להקל ייצור בקנה מידה גדול.

לחצו כאן כדי ללמוד על ליתוגרפיה ללא מסכה, טכנולוגיה שמשנה את כללי המשחק עבור יצרני שבבים

מהפכה ברפואה בעזרת מכונות זעירות

במקום להשתמש במכניקה מסורתית, צוות המחקר מאוניברסיטת גטבורג השתמש באור לייזר כדי לבנות גלגלי שיניים מיקרוסקופיים שיכולים לא רק להסתובב אלא גם לשנות כיוון ואפילו להפעיל מכונות מיקרוסקופיות.

המנוע כל כך זעיר שהוא יכול להיכנס יפה לתוך קווצת שיער. התקדמות זו מקוות כדי להוביל לכלי רפואיים עתידניים שיהיו בגודל של תאים אנושיים בלבד.

עם פריצת דרך זו, החוקרים התגברו על המגבלה של בניית מערכת הנעה קטנה יותר המניעה מיקרו-מנועים, אשר עצרה את התקדמותם ל-0.1 מ"מ, פשוט על ידי ויתור מוחלט על מערכת ההינע.

המכונות המיקרוסקופיות מופעלות במקום זאת על ידי אור לייזר. בעד זֶה, הקבוצה מְשׁוּמָשׁ מטא-חומרים אופטיים, מה היא מבנים קטנים ומורכבים בדוגמאות שיכולים ללכוד כמו גם לשלוט באור בדיוק רב ובקנה מידה קטן מאוד.

על ידי קרן לייזר על המטא-חומר, החוקרים גורמים לגלגל השיניים להסתובב, ובאמצעות שליטה בעוצמת אור הלייזר, הם שולטים במהירות. יתרה מכך, הם יכולים לשנות את כיוון גלגל השיניים על ידי התאמת קיטוב האור. 

"בנינו מערכת גלגלי שיניים שבה גלגל שיניים המונע על ידי אור מניע את כל השרשרת. גלגלי השיניים יכולים גם להמיר סיבוב לתנועה לינארית, לבצע תנועות מחזוריות ולשלוט במראות מיקרוסקופיות כדי להסיט אור."

– גאן וואנג, המחבר הראשון של המחקר וחוקר בתחום פיזיקת חומר רך באוניברסיטה

היכולת הזו לשלב מכונות מיקרוסקופיות ישירות על שבב ולהניע אותן בעזרת אור פותחת אפשרויות חדשות ומרגשות. 

ראשית, החוקרים קרובים עוד צעד לבניית מיקרו-מנועים, שניתן להרחיב אותם למיקרו-מערכות מורכבות, מכיוון שאור לייזר קל לשליטה ואינו זקוק למגע קבוע עם המכונה.

"זוהי דרך חדשה מיסודה לחשוב על מכניקה בקנה מידה מיקרוסקופי. על ידי החלפת צימודים מגושמים בצימודים קלים, נוכל סוף סוף להתגבר על מחסום הגודל."

– וואנג

אפשרות נוספת היא שימוש במיקרו-מכונות וננו-מכונות, שיכולות לתפעל חלקיקים קטנים או להשתלב במערכות מעבדה על שבב, מה שמאפשר... הערכת מערכות ביולוגיות.

השימוש באור כמקור אנרגיה זמין וביו-תואם באופן נרחב הופך את המיקרו-מנוע למתאים היטב למניפולציה של תאים, חיידקים וחומר ביולוגי אחר. 

המערכת מְשׁוּמָשׁ לייזר סטנדרטי של 1064 ננומטר, בעל ספיגה נמוכה על ידי מים ורקמות, וכתוצאה מכך, מפחית כל נזק לדגימות ביולוגיות. כמו כן, האור פועל בדרישת הספק נמוכה, רק כמה מגה-וואט.ונמצא בתוך הספים הבטוחים עבור מערכות ביולוגיות. 

ראוי לציון, ניתן לכוון את האור באופן סלקטיבי לציוד ההנעה, אשר מונע את הצורך לחשוף דגימות ביולוגיות ישירות למקור האורמנגנון עקיף ולא מזיק זה להעברת אנרגיה מרחיב את היישומים של הנעת אור.מטא-מכונות ומיקרו-מנועים בסביבות ביו-רפואיות.

באופן ספציפי יותר, גלגלי שיניים מיקרוסקופיים יכולים לסייע בוויסות זרימת נוזלים או בשליטה במערכות אספקת תרופות.

עם גלגלי שיניים בגודל של 16 עד 20 מיקרון, גודלם של תאים אנושיים מסוימים, המיקרו-מנועים החדשים יוכלו לשמש כמשאבות בתוך גוף האדם לוויסות זרימות שונות, והם עשויים גם לתפקד כשסתומים שנפתחים ונסגרים.

בנוסף לכל, התהליך המורכב ורב-השלבי של ייצור על-שבב המשמש כאן תואם לליתוגרפיה המשלימה של תחמוצת מתכת למחצה (CMOS) הנפוצה, שיכולה להקל על שילוב חלק שלה עם רכיבי CMOS אחרים כמו חיישנים פלסמוניים ומטלנסים.

בעזרת גלגלי השיניים המופעלים על ידי אור בקנה מידה מיקרומטרי, המחקר מבטיח יכולות פורצות דרך במערכות מכניות בקנה מידה מיקרו וננומטרי. עם זאת, עדיין קיימת מגבלה בהסתמכות על מטא-משטחים שתוכננו מראש, דבר המגביל את... יכולת כוונון תנועה דינמית.

כדי לטפל בכך, החוקרים המליצו לשלב חומרי מעבר פאזה כמו ונדיום דיאוקסיד (VO2) בתכנון המטא-פני השטח. זֶה יאפשר שינוי תצורה בזמן אמת של אופטיקה תכונות בתגובה לגירויים חיצוניים כמו אור, טמפרטורה, או שדות חשמליים. 

הם גם הציעו חומרי מטא-משטח חלופיים כמו TiO2 להארכת אורך הגל המבצעי לאזור האור הנראה, מה שיפשט את הכיול האופטי ו פוטנציאל לשפר את יכולת ההסתגלות, הביצועים והישימות של המערכת בסביבות מגוונות.

קפיצת המזעור אל הרפואה

Miניאטוריזציה חוללה מהפכה בתחום האלקטרוניקה כבר עשרות שנים. ייצורם של מכשירים קטנים יותר, חסכוניים יותר באנרגיה ובעלי ביצועים גבוהים אפשר התקדמות בטלפונים חכמים, מכשירים לבישים ומערכות תקשורת.

זֶהעם זאת, חשוב באותה מידה ברפואה, שבה מכונות מיניאטוריות יכולות לאפשר דיוק רב יותר. כלים כאלה יכולים לא רק לשפר את האבחון אלא גם לאפשר טיפולים חדשים ברמה התאית. ולעשות שירותי בריאות נגישים יותר.

לפיכך, חוקרים חוקרים הרחבת מזעור ל תרופה.

כפי שראינו עם גלגלי שיניים מטא-משטחיים של גטבורג, הם פתרו צווארי בקבוק בהפעלה על ידי ביטול מערכת ההינע. צוות אחר פתר זאת על ידי הטמעת חישה ישירות במכונות שלהם. והוא סלילת הדרך ליישומים בעולם האמיתי של התקנים מיניאטוריים חכמים.

השמיים צוות חוקרים מבית הספר למעגלים משולבים וממעבדה הלאומית לאופטואלקטרוניקה של ווהאן, אוניברסיטת הואז'ונג למדע וטכנולוגיה, סין, מפותח מכונות מגנטו-אולטרסאונד מיניאטוריות² לחישה ומניפולציה רובוטית אלחוטית.

מחקר זה עוסק בסוגיית אי-התאימות חישה-הפעלה בקני מידה מיקרוסקופיים שמפריעים פיתוח מערכות מיניאטוריות חכמות שיכולות לקדם משמעותית יישומים ביו-רפואיים. 

כפתרון, החוקרים הציעו גישה חדשה המשלבת חיישנים רכים אולטרסאונדים משובצים (EUSSs) עם מפעילים מגנטיים. ה-EUSS רך, קומפקטי וקל משקל בעיצוב. עם משקל של 4.6 מיליגרם בלבד ומידות של 1.3 מ"מ x 1.3 מ"מ x 1.6 מ"מ, הוא תואם לרכיבים רכים ונוקשים כאחד, הן מבחינת גודל והן מבחינת יכולת עיוות. 

יתר על כן, הצוות תכנן מתמרים מובנים, ובנוסף לשדות מגנטיים חיצוניים, השתמש בתקשורת אולטרסאונד פסיבית, שאפשרה להם לזהות ולווסת באופן אלחוטי כוח, רטט, טמפרטורה וצמיגות.

כאשר נבדק בארנבות ובחזירים, הצוות מצא שהמכשיר מציע מינון מדויק של תרופות, ניטור פיזיולוגי ובקרת משוב רובוטית.

במקרה אחר, חוקרי EPFL מפותח³ ממשק מוח-מכונה ממוזער (MiBMI) המשפר את היעילות כמו גם מדרגיות של BMI, שמציע דרך מבטיחה להשבת שליטה ותקשורת לאנשים עם לקויות מוטוריות חמורות.

בהיותה קטנה וצריכת אנרגיה נמוכה, המערכת מאפשרת לה מתאים ליישומים הניתנים להשתלה, בעוד שהפולשנות המינימלית שלו מבטיחה את בטיחות המטופל. זוהי מערכת משולבת לחלוטין עם מה היא הקלטה ועיבוד שבוצעו על שניים בֶּאֱמֶת צ'יפס קטנים. 

"MiBMI מאפשר לנו להמיר פעילות עצבית מורכבת לטקסט קריא בדיוק גבוה וצריכת חשמל נמוכה. התקדמות זו מקרבת אותנו לפתרונות מעשיים וניתנים להשתלה שיכולים לשפר משמעותית את יכולות התקשורת עבור אנשים עם לקויות מוטוריות חמורות."

– מחסה שוראן, שבמעבדת הנוירוטכנולוגיות המשולבות שלה (INL) ב-EPFL פותח המכשיר

השקעה בעתיד הטכנולוגיה הממוזערת

בעוד ששווי השוק שלו עומד על 122.6 מיליארד דולר מדטרוניק (MDT -0.74%) מתגאה בפורטפוליו רחב של מכשירים רפואיים כגון מיקרו-חיישנים, מפעילים ומכשירי עזר רובוטיים, ובשווי שוק של 12 מיליארד דולר לומנטום אחזקות (LITE +% 5.05) מקדמת את תחום האופטי והפוטוני. היום נסקור את פוטנציאל ההשקעה של תאגיד SiTime (SITM +% 2.62), אשר ממחישה כיצד MEMS (מערכות מיקרו-אלקטרו-מכניות) מתרחבות וכיצד שילובן בשבבים מטופל באופן מסחרי.

תאגיד SiTime (SITM +% 2.62)

SiTime היא חברת אנלוגים ומוליכים למחצה שמוצריה משמשים לתזמון מדויק באלקטרוניקה.

רק השבוע, תאגיד SiTime הכריז על השקת פלטפורמת הטיטאן, משפחת מהודים MEMS הקטנה פי ארבעה בערך מהחלופות הקוורץ הקטנות ביותר מדור קודם. לדברי החברה, זה יאפשר "מיניאטוריזציה חסרת תקדים" כמו גם שילוב במכשירים קטנים המופעלים על ידי סוללות, ויניע את הגל הבא של חדשנות במכשירים רפואיים, מכשירים לבישים ו-IoT תעשייתי.

עם שווי שוק של כמעט 8 מיליארד דולר, מניית SiTime נסחרת כעת במחיר של 306.5 דולר, עלייה של 42.3% מתחילת השנה (YTD). רק באפריל בשנה שעברה, מניית SITM הייתה מתחת ל-100 דולר וזינקה ביותר מ-323% מאז. המניה עלתה גם היא ביותר מ-106% מאז השפל של אפריל, בהתאם לשוק המניות הרחב, שטיפס לשיאים כלא. 

מבחינה פיננסית, החברה דיווחה על עלייה של 58% ב- ההכנסות נטו ל-69.5 מיליון דולר ברבעון השני של 2025.

הרווח הגולמי לפי GAAP עמד על 36.1 מיליון דולר, הוצאות התפעול לפי GAAP עמד על 60.7 מיליון דולר, וההפסד הנקי לפי GAAP עמד על 20.2 מיליון דולר, או 0.84 דולר למניה מדוללת. בינתיים, הרווח הגולמי (non-GAAP) עמד על 40.5 מיליון דולר, הוצאות התפעול (non-GAAP) עמד על 33.3 מיליון דולר, והרווח הנקי (non-GAAP) עמד על 11.6 מיליון דולר, או 0.47 דולר למניה מדוללת.

"המומנטום המתמשך של SiTime בשוקי הקצה שלנו מוכיח שההתמקדות שלנו ביישומים בעלי ביצועים גבוהים עובדת. ההכנסות משוק התקשורת, הארגונים ומרכזי הנתונים (CED) שלנו גדלו ב-137% משנה לשנה, בהשראת בינה מלאכותית שיצרה ביקוש חזק לפתרונות התזמון המדויק שלנו."

– מנכ"ל ראג'ש ואשיסט

החברה סיימה את הרבעון עם רווח של 796.7 דולר מיליון דולר במזומנים, שווי מזומנים והשקעות לטווח קצר.

תאגיד SiTime האחרון חדשות והתפתחויות במניות (SITM)

סיכום

מיקרו-הנדסה עומדת לשנות את הגישה המכנית שלנו למערכות מיקרוסקופיות, ופריצת הדרך האחרונה ביצירת גלגלי שיניים בקנה מידה מיקרומטר מאפשרת זאת. גלגלי השיניים הזעירים שפותחו לאחרונה, המופעלים על ידי אור, מבטיחים... לחולל מהפכה ברפואה על ידי הפעלת מכונות בגודל של תאים אנושיים בלבד.

זֶה משקף את המעבר של מזעור מאלקטרוניקה לרפואה, מה שמראה שקנה ​​מידהטכנולוגיית g-down אינה עוסקת רק ביעילות, אלא גם בפתיחת אפשרויות חדשות לחלוטין.

עם הזמן, מכשירים אלה ימשיכו להיות קטנים יותר ויותר בעלי יכולות גבוהות יותר, ויסללו את הדרך למיקרו-מערכות אוטונומיות שיוכלו יום אחד לפעול בצורה חלקה בתוך הגוף האנושי.dy, שם הם יווסתו זרימות, יספקו תרופות, ואולי אפילו יתקנו רקמות ברמה התאית.

לחצו כאן כדי ללמוד כיצד חלקיקים מיקרוסקופיים מודפסים בתלת-ממד יכולים לשנות את הרפואה והאלקטרוניקה.

הפניות:

<sup>1. Wang, G., Rey, M., Ciarlo, A., Shanei, M., Xiong, K., Pesce, G., Käll, M. & Volpe, G. (2025). מטא-מכונות מיקרוסקופיות. תקשורת טבע, 16:7767. (גרסת הרשומה), פורסם ב-20 באוגוסט 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, JJY, Zhang, L., & Zang, J. (2025). מכונות מגנטו-אולטרא-סוניות מיניאטורות לחישה ומניפולציה רובוטית אלחוטית. מדע רובוטיקה, 10(106). (גרסת רישום), פורסם ב-17 בספטמבר 2025. https://doi.org/10.1126/scirobotics.adu4851
3. שאירי, מ., שין, א., יאדב, א., קרמלינו, ר., ריינר, ג., ושוארן, מ. (2024). ממשק מוח-מכונה מיניאטורי (MiBMI) של 2.46 מ"מ² המאפשר פענוח מוח-טקסט של 31 מחלקות. כתב העת IEEE למעגלי מצב מוצק, 59(11), 3566–3579. (גרסת הרשומה), פורסם בנובמבר 2024. https://doi.org/10.1109/JSSC.2024.3443254</sup>