Licht‑aangedreven tandwielen: De kleinste motoren bouwen voor de geneeskunde

De trend van miniaturisatie heeft zich verspreid over een breed scala aan industrieën.

In het bijzonder zijn er voortdurende inspanningen om kleinere, efficiëntere en krachtigere apparaten te creëren in verschillende vakgebieden, waaronder elektronica, kunstmatige intelligentie, ruimtevaart en geneeskunde.

Het concept van miniaturisatie houdt simpelweg in dat er kleinere producten en apparaten worden vervaardigd. Dit resulteert in lichtere, compactere en draagbare producten met verbeterde prestaties en lagere kosten, wat leidt tot grotere toegankelijkheid en innovatie.

De miniaturisatie van mechanische machines is eigenlijk de sleutel tot de vooruitgang van nanotechnologie en het verminderen van de milieu‑impact van het apparaat. Het is echter complexer vanwege de manier waarop de structurele eigenschappen van mechanische onderdelen veranderen wanneer ze worden verkleind.

In de mechatronica werken onderzoekers al enkele decennia aan het verkleinen van belangrijke machinecomponenten zoals tandwielen en micromotoren. Deze technische inspanningen stuitten echter op beperkingen rond 0,1 millimeter (mm).

Dat komt door de complexiteit van het construeren van aandrijflijnen en koppelsystemen op zo’n kleine schaal.

Maar een team onderzoekers van de Universiteit van Göteborg heeft eindelijk een alternatief gevonden om dit te bereiken. Gepubliceerd in Nature beschrijft de studie met de titel Microscopic geared metamachines¹ hun aanpak waarbij optische metasurfaces (OM) worden gebruikt om de kleine machines lokaal aan te drijven.

De nieuwe aanpak kan daadwerkelijk worden gefabriceerd met standaard lithografiemethoden en naadloos op de chip worden geïntegreerd, waardoor de onderzoekers maten tot tientallen micrometer (μm) kunnen bereiken met bewegingen nauwkeurig tot op de submicrometer schaal.

In hun proof of concept toonde het team de constructie van microscopische tandwieloverbrengingen die werden aangedreven door een enkel aandrijftandwiel, met een metasurface geactiveerd door een vlakke lichtgolf. Ze ontwikkelden ook een “veelzijdige pinion‑ en rack‑micromachine”, die periodieke bewegingen kan uitvoeren, rotatiebeweging kan omzetten en kleine spiegels kan besturen voor lichtafbuiging.

Het on‑chip fabricageproces maakt eenvoudige integratie mogelijk. Ondertussen maakt het gebruik van licht als een gemakkelijk te regelen energiebron miniaturiseerde metamachines in staat om precieze beweging en controle te bieden, waardoor, aldus de studie, nieuwe mogelijkheden voor micro‑ en nanoschaalsystemen worden ontgrendeld.

Mechanische systemen verkleinen voor geavanceerde miniaturisatie

Veeg om te scrollen →

Van oude molens tot moderne robotica en van eenvoudige klokken tot complexe auto’s, tandwielen zijn overal, wat de vooruitgang van de menselijke technologie weerspiegelt. 

Deze tandwielmechanismen zijn systemen waarbij in elkaar grijpende tandwielen beweging, kracht en vermogen overdragen om taken efficiënt uit te voeren. Cruciaal voor de auto‑, luchtvaart‑ en robotica‑industrie en andere toepassingen, bieden deze systemen preciese controle door de snelheid te wijzigen en het mechanisch voordeel te vergroten.

Huidige tandwielontwikkelingen richten zich op miniaturisatie tot micrometer‑schaal, wat afval zal verminderen en de materiaalefficiëntie zal verbeteren. 

Dit zal ook nieuwe mogelijkheden openen voor mechaniseren en het verkennen van een lengteschaal die tot nu toe buiten bereik blijft. Bijvoorbeeld, het verkleinen van het systeem zal ons een dieper inzicht geven in wrijving en oppervlakinteracties, terwijl het innovaties mogelijk maakt zoals high‑performance microfluïdische apparaten en herconfigureerbare optische technologieën.

Momenteel zijn de inspanningen op dit gebied gericht op het creëren van individuele micromotoren, kleine objecten die kunnen roteren. En om ze aan te drijven, zijn mechanismen zoals statische en AC‑elektrische velden, lichtvelden en magnetische velden onderzocht.

Het probleem is echter geweest om micromotoren te integreren in kleine, tandwielmechanismen die daadwerkelijk werken, wat de behoefte aan een schaalbare aanpak heeft gecreëerd.

De nieuwste onderzoeksdoorbraak biedt een oplossing door het creëren van kleine tandwielen die rechtstreeks door licht kunnen worden aangedreven, waardoor de constructie van de kleinste motoren ooit voor on‑chip toepassingen mogelijk wordt.

Zoals de studie opmerkt, hebben recente vorderingen in actieve materie ongefocusseerd licht gebruikt om kleine voertuigen te verplaatsen met metasurfaces die laterale optische krachten genereren via directionele lichtverstrooiing. 

Microvoertuigen met deze nanostructuren in een parallel patroon zijn aangetoond vooruit te bewegen onder lineair gepolariseerd licht. Ze kunnen ook worden bestuurd met gepolariseerd licht via overdracht van spin‑hoeksimpuls.

Bovendien is aangetoond dat het rangschikken van de verstrooiers in een cirkelvormig patroon rotatie onder lineair gepolariseerd licht mogelijk maakt. Nog geavanceerdere ontwerpen gebruiken vier individueel adresseerbare chirale plasmonische nano‑antenna’s, die volledige 2D‑bewegingscontrole mogelijk maken door dual‑golflengte licht toe te passen.

Op basis van deze vorderingen heeft het team een tandwielmechanisme gecreëerd dat wordt aangedreven door optische metasurfaces die werken onder constante verlichting.

Metasurfaces zijn specifiek ontworpen, ultradunne 2D‑materialen die bestaan uit subgolflengte‑structuren die elektromagnetische golven beheersen door hun fase, amplitude en polarisatie te manipuleren. Door deze golven nauwkeurig te vormen, maken metasurfaces toepassingen mogelijk zoals lenzen, holografische displays, geavanceerde sensoren, efficiënte energie‑opwekking en verbeterde draadloze communicatiesystemen.

Optische metasurfaces (OM’s) bieden hier veelbelovende kandidaten om de knelpunt van omvangrijke optische elementen op te lossen. Ze bieden een nieuwe manier om licht te manipuleren op basis van verstrooiing door resonante nanostructuren, waardoor efficiënte fase-, polarisatie- en emissiebeheersing mogelijk wordt.

Om het optische metamateriaal in de tandwielen direct op een microchip te integreren, gebruikte het team standaard fotolithografie.

Fotolithografie is een microfabricageproces dat licht gebruikt om een geometrisch patroon van een fotomasker over te brengen op een lichtgevoelig materiaal (fotoresist) op een substraat, zoals een silicium wafer. Dit proces is essentieel voor het creëren van de ingewikkelde patronen die in halfgeleiders worden aangetroffen.

Wat het materiaal voor de tandwielen betreft, elk ongeveer enkele tientallen micrometer (specifiek 0,016 μm) in diameter, gebruikte het team silicium.

Silicium (Si) is een cruciaal element voor moderne technologie dat dient als het essentiële halfgeleider‑materiaal in microchips en transistors. Het team gebruikte het als hun primaire materiaal vanwege de compatibiliteit met fotolithografie, waardoor grootschalige productie wordt vergemakkelijkt.

Klik hier om meer te leren over maskless lithografie, een game‑changer voor chipfabrikanten

De geneeskunde revolutioneren met kleine machines

In plaats van traditionele mechanica te gebruiken, gebruikte het onderzoeksteam van de Universiteit van Göteborg laserlicht om microscopische tandwielen te bouwen die niet alleen kunnen draaien, maar ook van richting kunnen veranderen en zelfs microscopische machines kunnen aandrijven.

De motor is zo klein dat hij gemakkelijk in een haarstrik kan passen. Men hoopt dat deze vooruitgang zal leiden tot futuristische medische instrumenten die slechts zo groot zijn als menselijke cellen.

Met deze doorbraak hebben de onderzoekers de beperking overwonnen om kleinere aandrijflijnen te bouwen die micro‑motoren verplaatsen, wat hun voortgang tot 0,1 mm had belemmerd, door simpelweg de aandrijflijnen volledig te laten varen.

De microscopische machines worden in plaats daarvan in beweging gezet door laserlicht. Hiervoor gebruikte het team optische metamaterialen, de kleine, ingewikkeld gestructureerde structuren die licht kunnen opvangen en met grote precisie op een zeer kleine schaal kunnen beheersen.

Door een laser op het metamateriaal te schijnen, laten de onderzoekers het tandwiel draaien, en door de intensiteit van het laserlicht te regelen, regelen ze de snelheid. Bovendien kunnen ze de richting van het tandwiel wijzigen door de lichtpolarisatie aan te passen.

“We hebben een tandwieloverbrenging gebouwd waarin een door licht aangedreven tandwiel de hele keten in beweging zet. De tandwielen kunnen ook rotatie omzetten in lineaire beweging, periodieke bewegingen uitvoeren en microscopische spiegels besturen om licht af te buigen.”

– Gan Wang, de eerste auteur van de studie & onderzoeker in soft‑matter‑fysica aan de universiteit

Dit vermogen om microscopische machines direct op een chip te integreren en ze met licht aan te drijven, opent spannende nieuwe mogelijkheden. 

Voor starters zijn de onderzoekers een stap dichter bij het bouwen van micromotoren, die opgeschaald kunnen worden naar complexe microsystemen, aangezien laserlicht gemakkelijk te regelen is en geen vaste contact met de machine vereist.

“Dit is een fundamenteel nieuwe manier van denken over mechanica op microschaal. Door omvangrijke koppelingen te vervangen door lichtkoppelingen, kunnen we eindelijk de grootte‑barrière overwinnen.”

– Wang

Een andere mogelijkheid is het gebruik van micromachines en nanomachines, die kleine deeltjes kunnen manipuleren of kunnen worden geïntegreerd in lab‑on‑a‑chip systemen, waardoor de beoordeling van biologische systemen mogelijk wordt.

Het gebruik van licht als een breed beschikbare en biocompatibele energiebron maakt de micromotor zeer geschikt voor het manipuleren van cellen, bacteriën en ander biologisch materiaal. 

Het systeem gebruikte een standaard 1064 nm laser, die weinig absorptie heeft door water en weefsels, en daardoor eventuele schade aan biologische monsters vermindert. Bovendien werkt het licht met een laag vermogensvereiste, slechts enkele mW, en ligt het binnen de veilige drempels voor biologische systemen.

Opmerkelijk is dat het licht selectief kan worden gericht op het aandrijftandwiel, waardoor het niet nodig is biologische monsters direct aan de lichtbron bloot te stellen. Dit indirecte, onschadelijke mechanisme om energie te leveren breidt de toepassingen van licht‑aangedreven metamachines en micromotoren in biomedische omgevingen uit.

Specifieker kunnen microscopische tandwielen helpen bij het reguleren van vloeistofstromen of het controleren van geneesmiddelafgiftesystemen.

Met tandwielen van 16 tot 20 μm, de grootte van bepaalde menselijke cellen, zouden de nieuwe micromotoren als pompen in het menselijk lichaam kunnen worden gebruikt om verschillende stromingen te reguleren, en ze kunnen ook functioneren als kleppen die openen en sluiten.

Bovendien is het ingewikkelde, meerstappenproces van on‑chip fabricage dat hier wordt gebruikt compatibel met de veelgebruikte Complementary Metal‑Oxide‑Semiconductor (CMOS) lithografie, waardoor een soepele integratie met andere CMOS‑componenten zoals plasmonische sensoren en metalenses mogelijk wordt.

Met zijn door licht aangedreven tandwielen op micrometer‑schaal belooft de studie baanbrekende mogelijkheden in micro‑ en nanoschaal mechanische systemen. Er is echter nog een beperking in het vertrouwen op vooraf ontworpen metasurfaces, die de dynamische bewegingsaanpasbaarheid beperken.

Om dit aan te pakken, stelden de onderzoekers voor om fase‑overgangsmaterialen zoals vanadiumdioxide (VO2) in het metasurface‑ontwerp te integreren. Dit zal realtime herconfiguratie van optische eigenschappen mogelijk maken als reactie op externe stimuli zoals licht, temperatuur of elektrische velden.

Ze suggereerden ook alternatieve metasurface‑materialen zoals TiO2 om de operationele golflengte uit te breiden naar het zichtbare lichtgebied, wat de optische calibratie zal vereenvoudigen en mogelijk de aanpasbaarheid, prestaties en toepasbaarheid van het systeem in diverse omgevingen zal verbeteren.

De sprong van miniaturisatie in de geneeskunde

Miniaturisatie revolutioneert al tientallen jaren de elektronica. Het vervaardigen van kleinere, energie‑efficiëntere en high‑performance apparaten heeft vooruitgang mogelijk gemaakt in smartphones, wearables en communicatiesystemen.

Dit is echter even belangrijk in de geneeskunde, waar miniatuurmachines grotere precisie mogelijk maken. Dergelijke hulpmiddelen kunnen niet alleen diagnostiek verbeteren, maar ook nieuwe therapieën op cellulair niveau mogelijk maken en de gezondheidszorg toegankelijker maken.

Daarom onderzoeken onderzoekers de uitbreiding van miniaturisatie naar de geneeskunde.

Zoals we zagen met de Gothenburg metasurface‑tandwielen, losten zij aandrijfknelpunten op door aandrijflijnen te elimineren. Een ander team heeft dit opgelost door sensoren direct in hun machines te integreren en baant zo de weg voor real‑world toepassingen van intelligente miniatuurapparaten.

Het onderzoeksteam van de School of Integrated Circuits en het Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, Huazhong University of Science and Technology, China, heeft miniatuur magneto‑ultrasone machines ontwikkeld voor draadloze robotische sensoring en manipulatie.

Deze studie behandelt het probleem van incompatibiliteit tussen sensing en actuation op microscopische schaal, dat de ontwikkeling van intelligente miniatuursystemen belemmert die de biomedische toepassingen aanzienlijk kunnen vooruithelpen.

Als oplossing stelden de onderzoekers een nieuwe aanpak voor die ingebedde ultrasone zachte sensoren (EUSS’s) combineert met magnetische actuatoren. De EUSS is zacht, compact en lichtgewicht in ontwerp. Met een gewicht van slechts 4,6 milligram en afmetingen van 1,3 mm × 1,3 mm × 1,6 mm is hij compatibel met zowel zachte als stijve componenten qua grootte en vervormbaarheid.

Bovendien ontwierp het team aan boord transducers en gebruikte, naast externe magnetische velden, passieve ultrasone communicatie, waardoor ze draadloos kracht, vibratie, temperatuur en viscositeit konden detecteren en regelen.

Bij tests op konijnen en varkens vond het team dat het apparaat nauwkeurige medicijndosering, fysiologische monitoring en robotische feedback‑controle bood.

In een ander geval ontwikkelden EPFL‑onderzoekers een Miniaturized Brain‑Machine Interface (MiBMI) die de efficiëntie en schaalbaarheid van BMI’s verbetert, en een veelbelovende manier biedt om controle en communicatie te herstellen voor personen met ernstige motorische beperkingen.

Doordat het klein en energiezuinig is, maakt het systeem het geschikt voor implanteerbare toepassingen, terwijl de minimale invasiviteit de patiëntveiligheid waarborgt. Het is een volledig geïntegreerd systeem waarbij opname en verwerking plaatsvinden op twee echt kleine chips.

“MiBMI stelt ons in staat om ingewikkelde neurale activiteit om te zetten in leesbare tekst met hoge nauwkeurigheid en laag energieverbruik. Deze vooruitgang brengt ons dichter bij praktische, implanteerbare oplossingen die de communicatiemogelijkheden voor personen met ernstige motorische beperkingen aanzienlijk kunnen verbeteren.”

– Mahsa Shoaran, van het Integrated Neurotechnologies Laboratory (INL) aan de EPFL waar het apparaat werd ontwikkeld

Investeren in de toekomst van miniaturiseerde technologie

Terwijl Medtronic met een marktkapitalisatie van $122,6 mrd (MDT ) een breed portfolio heeft in medische apparaten zoals microsensoren, actuatoren en robotische hulpmiddelen, en Lumentum Holdings met een marktkapitalisatie van $12 mrd (LITE ) het optische en fotonische veld vooruitstuwt, zullen we vandaag het investeringspotentieel van SiTime Corporation (SITM ) behandelen, dat laat zien hoe MEMS (micro‑electromechanische systemen) schalen en hoe hun integratie in chips commercieel wordt aangepakt.

SiTime Corporation (SITM )

SiTime is een analoog‑ en halfgeleiderbedrijf waarvan de producten worden gebruikt voor precieze timing in elektronica.

Deze week kondigde SiTime Corporation de lancering aan van het Titan Platform, een familie van MEMS‑resonatoren die ongeveer vier keer kleiner is dan de kleinste legacy kwartsalternatieven. Volgens het bedrijf zal dit “ongekende miniaturisatie” mogelijk maken, evenals integratie in kleine, op batterijen werkende apparaten, en de volgende golf van innovatie in medische apparaten, wearables en industriële IoT aandrijven.

Met een marktkapitalisatie van bijna $8 mrd, worden de aandelen van SiTime momenteel verhandeld tegen $306,5, een stijging van 42,3 % jaar‑tot‑datum (YTD). Vorig jaar in april stonden SITM‑aandelen onder de $100 en zijn sindsdien met meer dan 323 % gestegen. Het aandeel is ook meer dan 106 % gestegen sinds dit april‑dieptepunt, in lijn met de brede aandelenmarkt, die recordhoogtes heeft bereikt.

Financieel rapporteerde het bedrijf een stijging van 58 % in de netto‑omzet tot $69,5 miljoen voor het tweede kwartaal van 2025.

De GAAP‑bruto winst bedroeg $36,1 miljoen, de GAAP operationele kosten $60,7 miljoen, en de GAAP nettoverlies $20,2 miljoen, of $0,84 per verwaterde aandeel. Ondertussen bedroeg de non‑GAAP bruto winst $40,5 miljoen, de non‑GAAP operationele kosten $33,3 miljoen, en de non‑GAAP netto‑inkomsten $11,6 miljoen, of $0,47 per verwaterde aandeel.

“SiTime’s voortdurende momentum in onze eindmarkten toont aan dat onze focus op high‑performance toepassingen werkt. De omzet uit onze Communicatie‑, Enterprise‑ en Datacenter‑markt (CED) groeide 137 % jaar‑over‑jaar, aangedreven door AI die sterke vraag naar onze Precision Timing‑oplossingen creëerde.”

– CEO Rajesh Vashist

Het bedrijf sloot het kwartaal af met $796,7 miljoen aan totale cash, kasequivalenten en kortetermijninvesteringen.

Laatste SiTime Corporation  (SITM) aandelen nieuws en ontwikkelingen

Conclusie

Micro‑engineering staat op het punt onze mechanische benadering van microscopische systemen te transformeren, en de nieuwste doorbraak in het creëren van tandwielen op micrometer‑schaal maakt dat mogelijk. De nieuw ontwikkelde kleine, door licht aangedreven tandwielen beloven de geneeskunde te revolutioneren door machines van de grootte van menselijke cellen aan te drijven.

Dit weerspiegelt de overgang van miniaturisatie van elektronica naar geneeskunde, wat aantoont dat het verkleinen van technologie niet alleen over efficiëntie gaat, maar ook over het ontsluiten van geheel nieuwe mogelijkheden.

Na verloop van tijd zullen deze apparaten steeds kleiner en capabeler worden, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor autonome microsystemen die op een dag naadloos in het menselijk lichaam kunnen opereren, waar ze stromingen reguleren, geneesmiddelen afleveren en zelfs weefsels op cellulair niveau kunnen repareren.

Klik hier om meer te leren over hoe 3D‑geprinte microscopische deeltjes de geneeskunde en elektronica kunnen veranderen.

Referenties:

<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. (Version of Record), gepubliceerd 20 augustus 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). (Version of Record), gepubliceerd 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. (Version of Record), gepubliceerd november 2024. https://doi.org/10.1109/JSSC.2024.3443254</sup>