Lysdrevne tannhjul: Bygger de minste motorene for medisin

Trenden med miniaturisering har gjennomsyret et bredt spekter av industrier.

Spesielt pågår det innsats for å lage mindre, mer effektive og kraftigere enheter innen ulike felt, inkludert elektronikk, kunstig intelligens, romfart og medisin.

Miniaturiseringskonseptet innebærer ganske enkelt produksjon av mindre produkter og enheter. Dette resulterer i lettere, mer kompakte og bærbare produkter med forbedret ytelse og lavere kostnader, noe som fører til større tilgjengelighet og innovasjon.

Miniaturisering av mekaniske maskiner er faktisk nøkkelen til å fremme nanoteknologi og redusere miljøpåvirkningen fra enheten. Det er imidlertid mer komplekst på grunn av hvordan de strukturelle egenskapene til mekaniske deler endres når de skaleres ned.

Innen mekatronikk har forskere i flere tiår jobbet med å nedskalere viktige maskinkomponenter som tannhjul og mikromotorer i de siste tiårene. Imidlertid har disse ingeniørinnsatsene møtt begrensninger rundt 0,1 millimeter (mm).

Dette skyldes kompleksiteten ved å konstruere drivverk og koblingssystemer i så liten skala.

Men et team av forskere fra Universitetet i Göteborg har endelig funnet et alternativ for å oppnå dette. Publisert i Nature beskriver studien med tittelen ‘Microscopic geared metamachines¹‘ tilnærmingen deres som involverer bruk av optiske metasurfaces (OM) for lokalt å drive de små maskinene.

Den nye tilnærmingen kan faktisk fremstilles ved hjelp av standard litografimetoder og sømløst integreres på chipen, noe som gjør det mulig for forskerne å oppnå størrelser ned til titalls mikrometer (μm) med bevegelser presise på sub‑mikrometernivå. 

I deres bevis på konsept demonstrerte teamet konstruksjonen av mikroskopiske tannhjulstrekk drevet av et enkelt drivtannhjul, med en metasurface aktivert av en plan lysbølge. De utviklet også en “allsidig tannhjul‑ og tannstang‑mikromaskin”, som kan utføre periodisk bevegelse, omforme rotasjonsbevegelse og kontrollere små speil for lysavbøyning.

Den på‑chip‑fremstillingsprosessen muliggjør enkel integrasjon. Samtidig tillater bruken av lys som en lett kontrollerbar energikilde at miniaturiserte metamaskiner kan tilby presis bevegelse og kontroll, og dermed åpner nye muligheter for mikro‑ og nanoskala‑systemer, bemerket studien.

Nedskalering av mekaniske systemer for avansert miniaturisering

Swipe to scroll →

Fra gamle møller til moderne robotikk og fra enkle klokker til komplekse biler, er tannhjul overalt, og reflekterer utviklingen av menneskelig teknologi. 

Disse tannhjulmekanismene er systemer hvor sammenlåste tannhjul overfører bevegelse, kraft og energi for å utføre oppgaver effektivt. Avgjørende for bilindustri, romfart, robotikk og andre anvendelser, gir disse systemene presis kontroll ved å endre hastighet og øke den mekaniske fordelen.

Nåværende fremskritt innen tannhjul fokuserer på å miniaturisere dem til mikrometerskala, noe som vil redusere avfall og forbedre materialeffektiviteten. 

Dette vil også åpne nye muligheter for mekanisering og utforskning av en lengdeskala som hittil forblir utenfor rekkevidde. For eksempel vil nedskalering av systemet gi oss en dypere forståelse av friksjon og overflatesamhandlinger, samtidig som det muliggjør innovasjoner som høy‑ytelses mikrofluidiske enheter og rekonfigurerbare optiske teknologier.

For øyeblikket har innsatsen på dette området vokst rundt å skape individuelle mikromotorer, som er små objekter i stand til rotasjon. For å drive dem har mekanismer som statiske og AC‑elektriske felt, lysfelt og magnetiske felt blitt utforsket.

Problemet har imidlertid vært å integrere mikromotorer i små, tannhjulbaserte mekanismer som faktisk fungerer, noe som har skapt et behov for en skalerbar tilnærming.

Det siste forskningsgjennombruddet gir en løsning ved å lage små tannhjul som kan drives direkte av lys, og dermed muliggjøre konstruksjonen av de minste motorene noensinne for på‑chip‑applikasjoner. 

Som studien bemerket, har nylige fremskritt innen aktiv materie brukt ufokusert lys til å bevege små kjøretøy ved hjelp av metasurfaces som produserer laterale optiske krefter via retningsbestemt lys‑spredning. 

Mikrokjøretøy med disse nanostrukturene arrangert i et parallelt mønster har vist at de kan drive fremover under lineært polarisert lys. De kan også kontrolleres ved hjelp av polarisert lys via overføring av spinn‑vinkelmoment.

Videre har det blitt vist at å legge ut sprederne i et sirkulært mønster tillater rotasjon under lineært polarisert lys. Enda mer avanserte design bruker fire individuelt adresserbare chirale plasmoniske nanoantenner, som muliggjør full 2D‑bevegelseskontroll ved å anvende to‑bølgelengde‑lys.

Byggende på disse fremskrittene har teamet laget en tannhjulmekanisme som drives av optiske metasurfaces som fungerer under jevn belysning.

Metasurfaces er spesifikt konstruerte, ultratynne 2D‑materialer som er laget av sub‑bølgelengde‑strukturer som kontrollerer elektromagnetiske bølger ved å manipulere deres fase, amplitude og polarisation. Ved presist å forme disse bølgene muliggjør metasurfaces applikasjoner som linser, holografiske skjermer, avanserte sensorer, effektiv energihøsting og forbedrede trådløse kommunikasjonssystemer.

Optiske metasurfaces (OM) her tilbyr lovende kandidater for å løse flaskehalsen med klumpete optiske elementer. De gir en ny måte å manipulere lys på basert på spredning fra resonante nanostrukturer, og dermed tilby effektiv fase‑, polariserings‑ og emisjonskontroll.

For å integrere det optiske metamaterialet i tannhjulene direkte på en mikrochip, brukte teamet standard fotolitografi.

Fotolitografi er en mikrofabrikasjon‑prosess som bruker lys til å overføre et geometrisk mønster fra en fotomaske til et lysfølsomt materiale (fotoresist) på et substrat, som en silisiumskive. Denne prosessen er nøkkelen til å lage de intrikate mønstrene som finnes i halvledere.

Når det gjelder materialet som ble brukt til tannhjulene, som hver kun er noen titalls mikrometer (spesifikt 0,016 μm) i diameter, benyttet teamet silisium.

Silisium (Si) er et kritisk element for moderne teknologi som fungerer som det essensielle halvledermaterialet i mikrochips og transistorer. Teamet brukte det som hovedmateriale på grunn av dets kompatibilitet med fotolitografi, slik at stor‑skala produksjon ble mulig.

Click here to learn about maskless lithography, a game changer for chip manufacturers

Revolusjonering av medisin med små maskiner

I stedet for å bruke tradisjonell mekanikk, benyttet forskerteamet ved Universitetet i Göteborg laserlys til å bygge mikroskopiske tannhjul som ikke bare kan rotere, men også endre retning og til og med drive mikroskopiske maskiner.

Motoren er så liten at den lett kan passe inn i et hårstrå. Disse fremskrittene håpes å føre til futuristiske medisinske verktøy som kun er på størrelse med menneskelige celler.

Med dette gjennombruddet har forskerne overvunnet begrensningen i å bygge mindre drivverk som beveger mikro‑motorer, en hindring som stoppet fremdriften på 0,1 mm, ved simpelthen å fjerne drivverkene helt.

De mikroskopiske maskinene settes i stedet i bevegelse av laserlys. For det brukte teamet optiske metamaterialer, de små, intrikat mønstrede strukturer som kan fange og kontrollere lys med stor presisjon og på svært liten skala.

Ved å belyse metamaterialet med en laser får forskerne tannhjulene til å rotere, og ved å justere intensiteten på laserlyset kontrollerer de hastigheten. I tillegg kan de endre retningen på tannhjulet ved å justere lys‑polarisationen. 

“Vi har bygget et tannhjulstrekk der et lysdrevet tannhjul setter hele kjeden i bevegelse. Tannhjulene kan også omdanne rotasjon til lineær bevegelse, utføre periodiske bevegelser og kontrollere mikroskopiske speil for å avbøye lys.”

– Gan Wang, studiens første forfatter & forsker i myk‑materiefysikk ved universitetet

Denne evnen til å integrere mikroskopiske maskiner direkte på en chip og drive dem med lys åpner spennende nye muligheter. 

For det første er forskerne et skritt nærmere å bygge mikromotorer, som kan skaleres opp til komplekse mikrosystemer, siden laserlys er lett å kontrollere og ikke trenger fast kontakt med maskinen.

“Dette er en fundamentalt ny måte å tenke på mekanikk på mikroskala. Ved å erstatte klumpete koblinger med lysbaserte kan vi endelig overvinne størrelseshindringen.”

– Wang

En annen mulighet er bruk av mikromaskiner og nanomaskiner, som kan manipulere små partikler eller innlemmes i lab‑on‑a‑chip‑systemer, og dermed muliggjøre vurdering av biologiske systemer.

Ved å bruke lys som en allment tilgjengelig og biokompatibel energikilde er mikromotoren godt egnet for å manipulere celler, bakterier og annet biologisk materiale. 

Systemet brukte en standard 1064 nm‑laser, som har lav absorpsjon i vann og vev, og som dermed reduserer eventuell skade på biologiske prøver. I tillegg opererer lyset med lavt kraftbehov, kun noen få mW, og ligger innenfor sikre grenser for biologiske systemer. 

Merkbart kan lyset selektivt rettes mot drivtannhjulet, noe som eliminerer behovet for å eksponere biologiske prøver direkte for lyskilden. Denne indirekte, ikke‑skadelige mekanismen for energilevering utvider bruksområdene for lysdrevne metamaskiner og mikromotorer i biomedisinske miljøer.

Mer spesifikt kan mikroskopiske tannhjul hjelpe med å regulere væskestrømmer eller kontrollere legemiddelleveringssystemer.

Med tannhjul som måler 16 til 20 μm, omtrent størrelsen på enkelte menneskelige celler, kan de nye mikromotorene brukes som pumper inne i kroppen for å regulere ulike strømmer, og de kan også fungere som ventiler som åpner og lukker.

I tillegg er den intrikate, flertrinns prosessen for på‑chip‑fremstilling som brukes her kompatibel med den mye brukte Complementary Metal‑Oxide‑Semiconductor (CMOS)‑litografien, noe som kan lette sømløs integrasjon med andre CMOS‑komponenter som plasmoniske sensorer og metalenser.

Med sine lysdrevne tannhjul i mikrometerskala lover studien banebrytende evner i mikro‑ og nanoskalamekaniske systemer. Det finnes imidlertid fortsatt en begrensning i å stole på forhåndsdesignede metasurfaces, som begrenser dynamisk bevegelsesjusterbarhet.

For å løse dette anbefalte forskerne å integrere fase‑overgangsmaterialer som vanadiumdioxid (VO2) i metasurface‑designet. Dette vil muliggjøre sanntids‑rekonfigurasjon av optiske egenskaper som respons på eksterne stimuli som lys, temperatur eller elektriske felt. 

De foreslo også alternative metasurface‑materialer som TiO2 for å utvide den operative bølgelengden inn i det synlige lyset, noe som vil forenkle optisk kalibrering og potensielt forbedre systemets tilpasningsevne, ytelse og anvendelighet på tvers av ulike miljøer.

Miniaturiseringens sprang inn i medisin

Miniaturisering har revolusjonert elektronikk i flere tiår nå. Fremstillingen av mindre, mer energieffektive og høy‑ytelses enheter har muliggjort fremskritt i smarttelefoner, wearables og kommunikasjonssystemer.

Dette er imidlertid like viktig i medisin, hvor miniatyrmaskiner kan tillate større presisjon. Slike verktøy kan ikke bare forbedre diagnostikk, men også muliggjøre nye terapier på cellenivå og gjøre helsetjenester mer tilgjengelige.

Derfor utforsker forskere å utvide miniaturisering til medisin.

Som vi så med Gothenburg‑metasurface‑tannhjul, løste de aktueringsflaskehalsen ved å eliminere drivverk. Et annet team har løst det ved å integrere sensoring direkte i maskinene sine og baner vei for virkelige anvendelser av intelligente miniatyrenheter.

Teamet av forskere fra School of Integrated Circuits and Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, Huazhong University of Science and Technology, China, har utviklet miniature magneto‑ultrasoniske maskiner² for trådløs robotisk sensing og manipulering.

Denne studien adresserer problemet med inkompatibilitet mellom sensing og aktuasjon på mikroskopisk skala som hindrer utviklingen av intelligente miniatyrsystemer som kan betydelig fremme biomedisinske anvendelser.

Som en løsning foreslo forskerne en ny tilnærming som inkorporerer innebygde ultrasoniske myke sensorer (EUSS) med magnetiske aktuatorer. EUSS er myk, kompakt og lett i design. Med en vekt på kun 4,6 mg og dimensjoner på 1,3 mm × 1,3 mm × 1,6 mm, er den kompatibel med både myke og stive komponenter i både størrelse og deformabilitet. 

Videre designet teamet ombord‑transdusere og, i tillegg til eksterne magnetfelt, brukte passiv ultralydkommunikasjon, noe som tillot dem å trådløst oppdage og regulere kraft, vibrasjon, temperatur og viskositet.

Når de ble testet på kaniner og griser, fant teamet at enheten ga nøyaktig dosering av legemidler, fysiologisk overvåkning og robotisk tilbakemeldingskontroll.

I et annet tilfelle utviklet EPFL‑forskerne en Miniaturisert Hjerne‑Maskin‑Grensesnitt (MiBMI) som forbedrer effektiviteten så vel som skalerbarheten til BMI‑er, noe som gir en lovende vei til å gjenopprette kontroll og kommunikasjon for individer med alvorlige motoriske svekkelser.

Som den er liten og lav‑effekt, gjør systemet det egnet for implanterbare anvendelser, mens den minimale invasiviteten sikrer pasientsikkerhet. Det er et fullt integrert system med opptak og prosessering utført på to virkelig små chips. 

“MiBMI gjør det mulig å konvertere intrikat nevraktivitet til lesbar tekst med høy nøyaktighet og lavt strømforbruk. Denne fremgangen bringer oss nærmere praktiske, implanterbare løsninger som kan betydelig forbedre kommunikasjonsmulighetene for personer med alvorlige motoriske svekkelser.“

– Mahsa Shoaran, ved Integrated Neurotechnologies Laboratory (INL) ved EPFL hvor enheten ble utviklet

Investering i fremtiden for miniaturisert teknologi

Mens $122,6 milliarder markedsverdi Medtronic (MDT ) har en bred portefølje innen medisinske enheter som mikrosensorer, aktuatorer og robotiske assisterende enheter, og $12 milliarder markedsverdi Lumentum Holdings (LITE ) fremmer det optiske og fotoniske feltet. I dag vil vi dekke investeringspotensialet til SiTime Corporation (SITM ), som illustrerer hvordan MEMS (mikro‑elektromechaniske systemer) skaleres og hvordan deres integrasjon i chips håndteres kommersielt.

SiTime Corporation (SITM )

SiTime er et analogt og halvleder‑selskap hvis produkter brukes for presis timing i elektronikk.

Bare denne uken kunngjorde SiTime Corporation lanseringen av Titan‑plattformen, en familie av MEMS‑resonatorer som er omtrent fire ganger mindre enn de minste tradisjonelle kvartsalternativene. Ifølge selskapet vil dette muliggjøre “enestående miniaturisering” samt integrasjon i små, batteridrevne enheter, og drive neste bølge av innovasjon innen medisinske enheter, wearables og industriell IoT.

Med en markedsverdi på nesten $8 milliarder, handles SiTimes aksjer for øyeblikket til $306,5, opp 42,3 % år‑til‑dato (YTD). Bare i fjor i april var SITM‑aksjene under $100 og har siden steget mer enn 323 %. Aksjen er også opp over 106 % siden dette april‑minimumet, i tråd med det brede aksjemarkedet som har nådd rekordhøye nivåer. 

Finansiellt rapporterte selskapet en 58 % økning i nettoinntekt til $69,5 millioner for andre kvartal 2025.

GAAP‑bruttofortjeneste var $36,1 millioner, GAAP‑driftskostnader $60,7 millioner, og GAAP‑netttap $20,2 millioner, eller $0,84 per utvannet aksje. Samtidig var non‑GAAP‑bruttofortjeneste $40,5 millioner, non‑GAAP‑driftskostnader $33,3 millioner, og non‑GAAP‑nettoinntekt $11,6 millioner, eller $0,47 per utvannet aksje.

“SiTimes fortsatte momentum på tvers av våre sluttmarkeder viser at vårt fokus på høy‑ytelses‑applikasjoner fungerer. Inntekter fra vårt Communications, Enterprise, and Data Center‑marked (CED) vokste 137 % år‑over‑år, drevet av AI som skapte sterk etterspørsel etter våre presisjon‑timing‑løsninger.”

– CEO Rajesh Vashist

Selskapet avsluttet kvartalet med $796,7 millioner i total kontanter, kontantekvivalenter og kortsiktige investeringer.

Latest SiTime Corporation (SITM) Stock News and Developments

Konklusjon

Mikro‑ingeniørkunst står til å transformere vår mekaniske tilnærming til mikroskopiske systemer, og det siste gjennombruddet i skapelsen av tannhjul på mikrometerskala gjør dette mulig. De nyutviklede, små, lysdrevne tannhjulene lover å revolusjonere medisin ved å drive maskiner kun på størrelse med menneskelige celler.

Dette reflekterer overgangen av miniaturisering fra elektronikk til medisin, som viser at nedskalering av teknologi ikke bare handler om effektivitet, men også om å låse opp helt nye muligheter.

Over tid vil disse enhetene fortsette å bli mindre og mer kapable, og bane vei for autonome mikrosystemer som en dag kan operere sømløst inne i menneskekroppen, hvor de vil regulere strømmer, levere legemidler og kanskje til og med reparere vev på cellenivå.

Click here to learn about how 3D-printed microscopic particles could change medicine and electronics.

Referanser:

<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. (Versjon av posten), publisert 20 august 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). (Versjon av posten), publisert 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. (Versjon av posten), publisert november 2024. https://doi.org/10.1109/JSSC.2024.3443254</sup>