Bruke mikro‑roboter for å holde havet rent

Researchers have figured out an effective way to keep the world’s waterways cleaner. A studie publisert i ACS Nano denne uken forklarer hvordan mikro‑roboter kan redusere plastforurensning i vannmiljøer. Disse magnetisk‑drevne enhetene tilbyr et bærekraftig og gjenbrukbart alternativ på markedet. Her er alt du trenger å vite om hvordan forskerne ønsker å bruke små roboter for å bekjempe forurensning.

Mikroplast forårsaker problemer

Mikroplast er et stort problem for verden. Disse små partiklene dannes over tid når plastprodukter brytes ned. Mikroplast måler -5 mikrometer i størrelse, noe som gjør dem svært vanskelige å samle inn fra vannmiljøer. Dessverre utgjør disse små plastpartiklene økologiske og helsemessige risikoer når de blir liggende urørt.

Næringskjeder

Et stort problem med mikroplast er at de blir spist av fisk og annet havliv. Disse partiklene blir inntatt, noe som introduserer mikroplast i næringskjeden. Dessverre stopper ikke syklusen; selv etter at mikroplast kommer inn i menneskelig konsum, finner de veien tilbake til miljøet.
Stool samples have confirmed that microplastics have polluted the environment so much that it’s now a part of your body. En studie fant at den gjennomsnittlige personen spiser 50 000 plastpartikler årlig. I dag kan disse skadelige partiklene finnes i nesten alle aspekter av livet, noe som gjør det avgjørende at reduksjonssystemer settes i verk.

Bakterier

Mikroplast er skadelig for hjerneutvikling og forårsaker andre sykdommer. Disse små plastpartiklene tiltrekker problematisk vekst fra alger og bakterier. Disse artene skaper patogener og forårsaker sykdom hvis de inntas eller inhaleres over lengre perioder. Spesielt har studier knyttet respiratoriske og kardiovaskulære sykdommer til mikroplast i luft, jord og vann. Derfor er det et sterkt behov for å redusere deres miljø- og helseeffekter.

Mikro‑roboter

Mikro‑roboter er små maskiner som ofte inneholder én bevegelig komponent som kan aktiveres ved hjelp av elektriske, kjemiske eller magnetiske krefter. Det finnes mange bruksområder for disse små robotene, fra helsevesen til sikkerhet og trygghet. I dette tilfellet ønsket forskerne å lage en magnetisk drevet og kontrollert svarm som kunne styres basert på strøm.

Deres skapelse var en 2,8‑mikrometer, magnetisk kontrollert mikro‑robot. Fra mikro‑robotenes kropper strekker polymeriske sekvestrerende tråder med positivt ladede magnetiske partikler seg ut. Denne strukturen gjør det mulig å samle og kontrollere armene og robotene via magneter. Spesielt utnyttet forskerne aminoskiftede Dynabeads funksjonalisert med den karboksyl‑inneholdende liganden poly (N-[3-(dimetylamino)propyl] metakrylamid).‘

Sværmer forbedrer ytelsen

Den lille størrelsen på disse robotene gjør dem ineffektive til å utføre de fleste oppgaver alene. Imidlertid utnytter disse systemene sværmer for å utføre komplekse oppgaver effektivt. Som i naturen skaper sværmer effektivitet og sikrer at ett enkelt feilpunkt ikke hindrer nødvendige oppgaver fra å bli fullført. Dermed er mikro‑roboter et annet eksempel på at mennesker etterligner naturen.
I dette tilfellet kan de magnetiske trådene organisere seg når et magnetfelt påføres. Når de er kombinert, kan magnetfeltet brukes til å koordinere bevegelsene til svärmen som en samlet enhet. Denne bevegelsen kan samle mikroplast og bakterier uten å etterlate ekstra avfall.

Eksperimenter og testing

Forskerne begynte å teste sine magnetisk kontrollerte polymeriske mikrorobotsværmer i vannrengjøringsoppgaver for å måle deres effektivitet og pålitelighet. De fant at når de selvorganiserte seg i roterende plan, fjernet disse små maskinene en betydelig mengde forurensninger fra vannet med minimale energikrav.
Testingen startet med å lage et kunstig forurenset miljø. Forskerne oppnådde dette ved å introdusere små 1‑mikrometer brede fluorescerende polystyrenperler i testvannet. Deretter introduserte forskerne bakterier i ligningen. De brukte den vanlige lungebetennelses‑forårsakeren Pseudomonas aeruginosa, for å sikre et reelt eksempel.

Legge til mikro‑robotene

Mikro‑robotene ble lagt til i testmiljøet og et magnetfelt ble påført gruppen. Merk at magnetfeltet ble rotert i 30 minutter. I tillegg ble det slått av hvert 10. sekund. Feltet fikk mikro‑robotene til å konsentrere seg til en konsentrasjon på 7,5 milligram per millimeter, noe som viste seg å være ideelt for rengjøringsoppgaver.

Kontrollere mikro‑robotsvermen

Forskerne fant at de oppnådde betydelig kontroll over enhetene gjennom magnetiske forsterkninger. De justerte sværmens retning, hastighet, størrelse og tykkelse. I tillegg klarte de å koordinere formasjoner som forbedret spesifikke oppgaver som fremdrift eller sortering.

Rengjøringsresultater

Den tette sværen fanget 80 % av bakteriene og mikroplastforurensningene i sin første runde. Merk at de innsamlede forurensningene forble festet til mikro‑robotene etter at de ble fjernet fra vannet. Ultrasoniske bølger ble deretter påført mikro‑robotene i en løsning som gjorde det mulig å trygt slippe ut mikroplasten og bakteriene i en innelukket enhet.
Dekontamineringsprosessen inkluderte et ultralydbad for å drepe bakterier før de ble utsatt for ultrafiolett behandling. Sammen eliminerte disse trinnene 99 % av bakteriene fra robotene, noe som gjør dem trygge for gjenbruk. Merk at dette rengjøringsregimet betyr at robotene er gjenbrukbare med kun en liten forringelse i resultatene.

Forskere

Forskningsgruppen bak dette prosjektet ble ledet av Martin Pumera. Som en del av deres strategi måtte teamet utvikle nye metoder for fabrikasjon, bevegelsesanalyse og anvendelse. Deres forskning beviste deres tese og åpnet døren for mer komplekse prosesser og funksjonaliteter i fremtiden.

Potensielle bruksområder

Det er et sterkt behov for gjenbrukbare vannfiltreringssystemer som gir konsistente resultater. Å få tilgang til, filtrere og levere rent vann har blitt en viktig del av livet. Her er noen potensielle bruksområder for mikrorobotsfiltreringssystemer i fremtiden.

Vannbehandling

Små maskiner er ideelle for å rense vannsystemer. De kan introduseres med minimal innsats og samles lett inn. Merk at dagens vannrenseanlegg mangler nødvendig ytelse og er avhengige av ikke‑bærekraftige mekaniske eller kjemiske systemer. Mikro‑roboter etterlater ingen rester, noe som gjør dem til et bedre alternativ.

Rensing av havet

En flere mil bred øy av flytende søppel finnes i midten av havet og fortsetter å vokse. Denne forferdelige økologiske situasjonen er en av mange som plastavfall har forårsaket. Mikroplast fra disse områdene fortsetter å skade miljøet, noe som igjen fører til helserisiko.

Mikrorobotte‑rengjøringsløsninger kan introduseres i disse farlige områdene og starte renseprosessen uten menneskelig inngripen. I tillegg kan disse systemene skaleres for å møte fremtidige behov og kombineres med andre teknologier som plast‑spisende mikrober som eliminerer avfallet etter at det er samlet inn.

Helsevesen

Mikro‑roboter kan bidra til å lage lavkostnadsmedikamenter og andre livredende systemer. På kort sikt kan disse enhetene bidra til å levere rene vannløsninger når det trengs. Disse robotene kan snart bli vanlige på sykehus, hvor de kan brukes som et ekstra filtreringssystem for å sikre høyere kvalitet på resultatene.
Det kan også komme en bølge av oppstartsbedrifter som utnytter denne teknologien for å drive markedet for hjemmevannrensing. Vannkvalitet er en global bekymring, og denne teknologien tilbyr en av de reneste tilgjengelige løsningene.

Bygg og produksjon

Magnetisk kontrollerte roboter kan i fremtiden brukes til å lage sterkere bygninger og produkter. For eksempel kan disse enhetene hjelpe et kjøretøypanel med å gå tilbake til en forhåndsinnstilt tilstand når magnetisk kraft påføres. Dermed kan de en dag brukes til å holde sammen høyspente områder på jetfly, raketter, båter, biler og til og med skyskrapere.

Fordeler ved å bruke mikro‑roboter

Mikro‑roboter gir mange fordeler. For det første kan de enkelt produseres, distribueres, administreres og samles inn. Disse enhetene kan også integrere sensorer, som gir verdifulle data som kan brukes til å forbedre anti‑forurensningsarbeidet betydelig.

Gjenbrukbare mikro‑roboter

En av de største gjennombruddene i denne forskningen er muligheten til å gjenbruke robotene. Det er et lite ytelsestap ved hver syklus. Imidlertid er dette et lite tap i ytelse som sværmeatferd hjelper å kompensere for. I tillegg betyr de lave driftskostnadene at hvem som helst en dag kan lage massive sværmer som forbedrer effektiviteten på tvers av bransjer.

Kontrollert utslipp

En annen stor fordel med denne utviklingen er muligheten til å gjennomføre et kontrollert utslipp av giftstoffene. Det har vært notorisk vanskelig å finne metoder for å rense vannmiljøer og filtrere farlige stoffer uten å etterlate kjemisk rest. Denne metoden fjerner kjemikalier fra ligningen, noe som gjør den mye tryggere og mer bærekraftig.

Magnetisk energi

Bruken av magnetisk energi for å organisere og drive disse små robotene gir et ekstra lag med fordeler. Magnetiske interaksjoner krever ikke at robotene har batterier. Dermed reduserte ingeniørene størrelse, vekt og andre faktorer.

Selskaper som kan ha nytte av disse utviklingene

Mange bransjer kan ha nytte av vannrengjørende mikro‑roboter. Miljøet trenger løsninger for fjerning av mikroplast. I tillegg kan helsevesen og rense tjenester utnytte denne teknologien for å forbedre sine tilbud. Her er noen firmaer med potensial til å dra nytte av disse fremskrittene i fremtiden.

Ginkgo Bioworks Holdings, Inc.

DNA Prisdiagram

Ginkgo Bioworks (DNA ) Inc. er et bioteknologiselskap som spesialiserer seg på organiske løsninger. Firmaet tilbyr nyttige industrielle bioteknologitjenester som reduserer kostnader og forbedrer effektivitet. Merk at selskapet ble opprettet av fem MIT‑utdannede og i dag har Jason Kelly som administrerende direktør. I dag er Ginkgo Bioworks Holdings et fremtredende navn i markedet.
Ginkgo Bioworks har opplevd betydelig vekst. I 2022 kjøpte de Bayer’s Biologics Research & Development‑anlegg og startet et strategisk partnerskap. Selskapets aksjer har hatt en liten verdinedgang det siste året i takt med resten av markedet. Imidlertid gjør Ginkgo Bioworks Holdings’ markedsposisjon og avanserte proprietære løsninger det til et sterkt tillegg i enhver portefølje.

Imina Technologies S.A.

Imina Technologies spesialiserer seg på robotplattformar. Forsknings‑ og produksjonsfirmaet har flere produkter som muliggjør mikro‑ og nanoskalainteraksjoner. Deres førsteklasses produkt, miBot, er verdens mest kompakte robot med fire frihetsgrader som er kommersielt tilgjengelig.
Den trådløse designen av roboten gjør den ideell for å skanne mikroskopiske overflater fritt. Robot kan naturlig tilpasse seg et skiftende miljø. I tillegg bruker den magnetiske linser for å produsere høyoppløselige bilder som kan brukes i flere anvendelser. Denne roboten kan en dag brukes til å overvåke fremdriften til mikroroboter og mer.

Fremtiden for mikro‑roboter

Fremtiden for mikrorobotikk ser lysende ut, med AI og andre teknologier som spiller en stadig større rolle og driver innovasjon. I fremtiden vil nano‑ og mikrorobotikk bli en del av hverdagen. Disse små arbeiderne kan utføre oppgaver som sikkerhetsskanninger, reparasjoner, vedlikehold og mer.
Nanoteknologi er i vekst, og introduksjonen av selvforsynte enheter har åpnet døren for nye bruksområder. Det finnes mini‑roboter som driver seg selv med statisk elektrisitet eller andre lett tilgjengelige kilder i dag. Disse utviklingene gjør det mulig å bruke mikro‑roboter til å bekjempe bakterier på nye og fordelaktige steder. Dermed er mikrorobotikkfeltet et som bør følges med på.

Mikro‑roboter kan redde liv

Denne utviklingen har potensial til å redde millioner av liv i og utenfor havet i de kommende årene. Løsningen på forurensning er ikke et enkelt svar. I stedet må verden se på alle tilgjengelige alternativer og kombinere de som gir mening. Mikrorobotbaserte vannrensesystemer tilbyr unike fordeler som gjør dem verdt å utforske.
Å kombinere disse innsatsene med bærekraftig energi og redusere forurensning er nøkkelen til suksess. Sammen kan denne flerfasetterte tilnærmingen være det som trengs for å snu klokken på forurensning. For øyeblikket jobber forskerne døgnet rundt for å finne løsninger.

Et renere hav er bedre for alle

Å bruke mikro‑roboter for å bekjempe forurensning på nanoskalering gir mening av flere grunner. For det første er de riktig dimensjonert for å utføre jobben. Disse mikroskopiske enhetene kan gjøre mye når de arbeider i sværmer, og når de kombineres med annen teknologi, som AI, blokkjedeteknologi og IoT, blir resultatene lett sporbare over hele verden. Av disse og mange andre grunner har dette prosjektet stort potensial.

Lær om andre kule miljøprosjekter her