Microbots gebruiken om de oceaan schoon te houden

Researchers have figured out an effective way to keep the world’s waterways cleaner. A studie published in ACS Nano this week explains how microbots could reduce plastic pollution in aquatic environments. These magnetic-powered devices offer a sustainable and reusable option to the market. Here’s everything you need to know about how researchers want to use tiny robots to fight pollution.

Microplastics veroorzaken problemen

Microplastics vormen een groot probleem voor de wereld. Deze kleine deeltjes ontstaan na verloop van tijd wanneer plasticproducten afbreken. Microplastics meten -5 micrometer in grootte, waardoor ze zeer moeilijk te verzamelen zijn uit wateromgevingen. Helaas vormen deze kleine plasticdeeltjes ecologische en gezondheidsrisico’s wanneer ze onaangeroerd blijven.

Voedselketens

Een belangrijk probleem met microplastics is dat ze worden geconsumeerd door vissen en ander zeeleven. Deze deeltjes worden gegeten, waardoor microplastics in de voedselketen terechtkomen. Helaas eindigt de cyclus niet; zelfs nadat de microplastics via de menselijke consumptie zijn binnengekomen, vinden ze hun weg terug naar het milieu.
Ontlastingsmonsters hebben bevestigd dat microplastics het milieu zo sterk hebben vervuild dat ze nu een deel van je lichaam vormen. Een studie vond dat de gemiddelde persoon jaarlijks 50.000 plasticdeeltjes eet. Tegenwoordig kunnen deze schadelijke deeltjes in bijna elk aspect van het leven worden aangetroffen, waardoor het van groot belang is dat reductiesystemen worden ingevoerd.

Bacteriën

Microplastics zijn schadelijk voor de hersenontwikkeling en veroorzaken andere ziektes. Deze kleine plasticdeeltjes trekken problematische groei van algen en bacteriën aan. Deze soorten creëren pathogenen en veroorzaken ziekten als ze gedurende lange perioden worden geconsumeerd of ingeademd. Specifiek hebben studies een verband gelegd tussen luchtweg- en cardiovasculaire aandoeningen en microplastics in de lucht, bodem en water. Daarom is er een grote vraag om hun milieu- en gezondheidsimpact te verminderen.

Microbots

Microbots zijn kleine machines die vaak één bewegend onderdeel bevatten dat kan worden geactiveerd met elektrische, chemische of magnetische krachten. Er zijn veel toepassingen voor deze kleine robots, variërend van gezondheidszorg tot veiligheid en beveiliging. In dit geval probeerden de onderzoekers een magnetisch aangedreven en gecontroleerde zwerm te creëren die op basis van stroom kan worden bestuurd.

De creatie was een 2,8-micrometer, magnetisch gecontroleerde microbot. Uit de lichamen van de microbot komen polymeerische sequestrantstrengen met positief geladen magnetische deeltjes. Deze structuur maakt het mogelijk om de armen en robots te verzamelen en te besturen via magneten. Specifiek maakten de onderzoekers gebruik van amine-gemodificeerde Dynabeads die waren gefunctionaliseerd met het carboxyl-bevattende ligand poly (N-[3-(dimethylamino)propyl] methacrylamide).‘

Zwermen verbeteren de prestaties

De kleine omvang van deze bots maakt ze ineffectief om de meeste taken alleen uit te voeren. Deze systemen maken echter gebruik van zwermen om complexe taken effectief te voltooien. Net als in de natuur creëren zwermen efficiëntie en zorgen ze ervoor dat één enkel storingspunt de noodzakelijke taken niet verhindert. Daarom zijn microbots een ander voorbeeld van hoe de mens de natuur nabootst.
In dit geval kunnen de magnetische strengen zich organiseren wanneer een magnetisch veld wordt toegepast. Eenmaal gecombineerd kan het magnetische veld worden gebruikt om de bewegingen van de zwerm als één samenhangende eenheid te coördineren. Deze beweging kan microplastics en bacteriën verzamelen zonder extra afval achter te laten.

Experimenten en testen

De onderzoekers begonnen hun magnetisch gecontroleerde polymeerische microrobot-zwermen te testen in waterreinigingsopdrachten om hun effectiviteit en betrouwbaarheid te meten. Ze ontdekten dat wanneer ze zichzelf organiseerden in roterende vlakken, deze kleine machines een aanzienlijke hoeveelheid verontreinigingen uit het water verwijderden met minimale energiebehoefte.
De test begon met het creëren van een kunstmatig vervuilde omgeving. De onderzoekers realiseerden dit door kleine fluorescerende polystyreenbolletjes van 1 micrometer breed toe te voegen aan het testwater. Vervolgens voegden de onderzoekers bacteriën toe aan de vergelijking. Ze gebruikten de veelvoorkomende longontsteking veroorzakende bacterie Pseudomonas aeruginosa, om een realistisch voorbeeld te waarborgen.

De microbots toevoegen

De microbots werden toegevoegd aan de testomgeving en er werd een magnetisch veld op de groep toegepast. Opmerkelijk was dat het magnetische veld 30 minuten bleef roteren. Daarnaast werd het elke 10 seconden uitgeschakeld. Het veld zorgde ervoor dat de microbots zich concentreerden tot een concentratie van 7,5 milligram per millimeter, wat ideaal bleek voor reinigingstaken.

De zwerm van microbots besturen

De onderzoekers ontdekten dat ze via magnetische augmentaties aanzienlijke controle over de apparaten kregen. Ze pasten de richting, snelheid, grootte en dikte van de zwerm aan. Bovendien konden ze formaties coördineren die specifieke taken, zoals voortstuwing of sortering, verbeterden.

Resultaten van opruimen

De dichte zwerm ving 80% van de bacteriën en microplasticvervuiling bij de eerste run. Opmerkelijk bleef de verzamelde vervuiling aan de microbots bevestigd na hun extractie uit het water. Vervolgens werden ultrasone golven toegepast op de microbots in een oplossing die hen veilig liet de microplastics en bacteriën in een afgesloten eenheid vrijgeven.
Het decontaminatieproces omvatte een ultrasoon bad om bacteriën te doden voordat ze ondergaan aan ultravioletbehandelingen. Samen elimineerden deze stappen 99% van de bacteriën van de robots, waardoor ze weer veilig hergebruikt kunnen worden. Deze reinigingsroutine betekent dat de bots herbruikbaar zijn met slechts een lichte achteruitgang in de resultaten.

Onderzoekers

Het onderzoeksteam achter dit project werd geleid door Martin Pumera. Als onderdeel van hun strategie moest het team nieuwe methoden ontwikkelen voor fabricage, bewegingsanalyse en toepassing. Hun onderzoek bevestigde hun hypothese en opende de deur naar complexere processen en functionaliteiten in de toekomst.

Potentiële gebruiksscenario’s

Er is een grote vraag naar herbruikbare waterfiltratiesystemen die consistente resultaten leveren. Het verkrijgen, filteren en leveren van schoon water is een essentieel aspect van het leven geworden. Hier zijn enkele potentiële gebruiksscenario’s voor microrobot-filtratiesystemen in de toekomst.

Waterbehandeling

Kleine machines zijn ideaal voor het reinigen van watersystemen. Ze kunnen met minimale inspanning worden geïntroduceerd en gemakkelijk worden verzameld. Opmerkelijk is dat de huidige waterzuiveringssystemen niet de benodigde prestaties leveren en afhankelijk zijn van onduurzame mechanische of chemische systemen. Microbots laten geen residu achter, waardoor ze een betere optie zijn.

Oceaanreiniging

Er bestaat een mijlenbreed eiland van drijvend afval in het midden van de oceaan dat blijft uitbreiden. Deze verschrikkelijke ecologische situatie is een van de vele die plasticafval heeft veroorzaakt. Microplastics van deze locaties blijven het milieu schaden, wat op zijn beurt leidt tot gezondheidsrisico’s.

Microrobotic reinigingsoplossingen kunnen in deze gevaarlijke gebieden worden geïntroduceerd en het opruimingsproces starten zonder menselijke tussenkomst. Bovendien kunnen deze systemen opschalen om aan toekomstige behoeften te voldoen en combineren met andere technologieën zoals plastic-verterende microben die het afval na verzameling elimineren.

Gezondheidszorg

Microbots kunnen helpen bij het creëren van goedkope geneesmiddelen en andere levensreddende systemen. Op korte termijn kunnen deze apparaten helpen om schoonwateroplossingen te bieden wanneer dat nodig is. Deze bots kunnen binnenkort gangbaar worden in ziekenhuizen, waar ze als aanvullend filtratiesysteem kunnen worden gebruikt om resultaten van hogere kwaliteit te garanderen.
Er kan ook een toestroom van startups zijn die deze technologie benutten om de markt voor thuiswaterzuivering te stimuleren. Waterkwaliteit is een wereldwijd probleem, en deze technologie biedt een van de schoonste beschikbare oplossingen.

Constructie en productie

Magnetisch gecontroleerde robots kunnen in de toekomst worden gebruikt om sterkere gebouwen en producten te maken. Bijvoorbeeld, deze apparaten kunnen een voertuigpaneel helpen terugkeren naar een vooraf ingestelde staat wanneer magnetische kracht wordt toegepast. Hierdoor zouden ze op een dag kunnen worden gebruikt om hoogspanningsgebieden op straalvliegtuigen, raketten, boten, auto’s en zelfs wolkenkrabbers bij elkaar te houden.

Voordelen van het gebruik van microbots

Microbots bieden veel voordelen. Ten eerste kunnen ze gemakkelijk worden vervaardigd, ingezet, beheerd en verzameld. Deze apparaten kunnen ook sensoren integreren, die waardevolle gegevens leveren die aanzienlijk kunnen bijdragen aan anti-vervuilingsinspanningen.

Herbruikbare microbots

Een van de grootste doorbraken van dit onderzoek is de mogelijkheid om de bots opnieuw te gebruiken. Er is een lichte prestatievermindering bij elke cyclus. Dit is echter een kleine verlies in prestaties die het zwermgedrag helpt compenseren. Bovendien betekenen de lage operationele kosten dat iedereen op een dag enorme zwermen kan creëren die de efficiëntie in verschillende sectoren verbeteren.

Gereguleerde afgifte

Een ander groot voordeel van deze ontwikkeling is de mogelijkheid om een gecontroleerde afgifte van de toxines uit te voeren. Het is berucht moeilijk gebleken om manieren te bedenken om wateromgevingen op te schonen en gevaarlijk materiaal te filteren zonder chemisch residu achter te laten. Deze methode elimineert chemicaliën uit de vergelijking, waardoor het veel veiliger en duurzamer is.

Magnetische energie

Het gebruik van magnetische energie om deze kleine robots te organiseren en te laten werken voegt een extra laag voordelen toe. Magnetische interacties vereisen geen batterijen voor de bots. Hierdoor hebben de ingenieurs de grootte, het gewicht en andere factoren verminderd.

Bedrijven die van deze ontwikkelingen kunnen profiteren

Veel sectoren kunnen profiteren van waterreinigende microbots. Het milieu heeft oplossingen nodig voor het verwijderen van microplastics. Daarnaast kunnen gezondheidszorg- en zuiveringsdiensten deze technologie benutten om hun aanbod te verbeteren. Hier zijn enkele bedrijven met het potentieel om in de toekomst van deze vooruitgangen te profiteren.

Ginkgo Bioworks Holdings, Inc.

DNA Prijsgrafiek

Ginkgo Bioworks (DNA ) Inc. is een biotechbedrijf dat zich specialiseert in organische oplossingen. Het bedrijf biedt nuttige industriële biotechdiensten die kosten verlagen en efficiëntie verbeteren. Opmerkelijk is dat het bedrijf is opgericht door 5 MIT-afgestudeerden en momenteel Jason Kelly als CEO heeft. Vandaag is Ginkgo Bioworks Holdings een prominente naam op de markt.
Ginkgo Bioworks heeft aanzienlijke groei gezien. In 2022 verwierf het Bayer’s Biologics Research & Development locatie en begon een strategisch partnerschap. De aandelen van het bedrijf hebben het afgelopen jaar een lichte waardedaling doorgemaakt, in lijn met de rest van de markt. Echter, de marktpositie van Ginkgo Bioworks Holdings en geavanceerde propriëtaire oplossingen maken het een sterke toevoeging aan elk portfolio.

Imina Technologies S.A.

Imina Technologies specialiseert zich in robotica-platformen. Het onderzoeks- en productiebedrijf heeft meerdere producten die micro- en nanoschaalinteracties mogelijk maken. Hun toonaangevende product, de miBot, is ‘s werelds meest compacte robot met 4 vrijheidsgraden die commercieel verkrijgbaar is.
Het draadloze ontwerp van de robot maakt hem ideaal voor het vrij scannen van microscopische oppervlakken. De robot kan zich natuurlijk aanpassen aan een veranderende omgeving. Bovendien gebruikt hij magnetische lenzen om hoge resolutiebeelden te produceren die in verschillende toepassingen kunnen worden gebruikt. Deze bot zou op een dag kunnen worden ingezet om de voortgang van microrobots en meer te monitoren.

Toekomst van microbots

De toekomst van micro-robotica ziet er rooskleurig uit, met AI en andere technologieën die een steeds grotere rol spelen en innovatie stimuleren. In de toekomst zullen nano- en micro-robotica onderdeel worden van het dagelijks leven. Deze kleine werkers kunnen taken uitvoeren zoals veiligheidscontroles, reparaties, onderhoud en meer.
Nanotechnologie is in opkomst en de introductie van zelf-voedende apparaten heeft de deur geopend voor nieuwe gebruikstoepassingen. Er zijn mini-robots die zichzelf van statische elektriciteit of andere gemakkelijk beschikbare bronnen voorzien. Deze ontwikkelingen maken het mogelijk om microbots in te zetten om bacteriën te bestrijden op nieuwe en voordelige locaties. Daarom is het micro-robotica-veld een sector om in de gaten te houden.

Microbots kunnen levens redden

Deze ontwikkeling heeft het potentieel om in de komende jaren miljoenen levens te redden, zowel in als buiten de oceaan. De oplossing voor vervuiling is geen eenvoudige reactie. In plaats daarvan moet de wereld alle beschikbare opties bekijken en de logische combineren. Microrobotic waterzuiveringssystemen bieden unieke voordelen die het verkennen waard zijn.
Het combineren van deze inspanningen met duurzame energie en het verminderen van vervuiling is de sleutel tot succes. Samen zou deze veelzijdige aanpak kunnen zijn wat nodig is om de klok terug te draaien op vervuiling. Voorlopig werken onderzoekers dag en nacht aan het vinden van oplossingen.

Een schonere oceaan is beter voor iedereen

Het gebruik van microbots om vervuiling op nanoschaal te bestrijden is om verschillende redenen logisch. Ten eerste zijn ze passend van formaat om de klus te klaren. Deze microscopische eenheden kunnen veel doen wanneer ze in zwermen werken, en in combinatie met andere technologieën, zoals AI, blockchain en IoT, worden de resultaten wereldwijd gemakkelijk traceerbaar. Om deze en vele andere redenen heeft dit project veel potentieel.

Leer meer over andere coole milieuprojecten hier