Engrenagens movidas a luz: construindo os menores motores para a medicina

A tendência de miniaturização permeou uma ampla gama de indústrias.

Em particular, estão em curso esforços para criar dispositivos mais pequenos, mais eficientes e mais potentes em vários campos, incluindo eletrônica, inteligência artificial, espaço e medicina.

O conceito de miniaturização simplesmente envolve a fabricação de produtos e dispositivos menores. Isso resulta em produtos mais leves, compactos e portáteis, com melhor desempenho e custos mais baixos, levando a maior acessibilidade e inovação.

A miniaturização de máquinas mecânicas é, de fato, fundamental para o avanço da nanotecnologia e a redução do impacto ambiental do dispositivo. No entanto, é mais complexa devido à forma como as propriedades estruturais das peças mecânicas mudam à medida que são reduzidas.

Na mecatrônica, os pesquisadores têm trabalhado na redução de componentes-chave da máquina como engrenagens e micromotores nas últimas décadas. No entanto, esses esforços de engenharia enfrentaram limitações em torno de 0.1 milímetro (milímetros).

Isso ocorre devido às complexidades envolvidas na construção de trens de força e sistemas de acoplamento em uma escala tão pequena.

Mas uma equipe de pesquisadores da Universidade de Gotemburgo finalmente encontrou uma alternativa para isso. Publicado na Nature, o estudo intitulado "Metamáquinas com engrenagens microscópicas¹ detalha sua abordagem que envolve o uso de metassuperfícies ópticas (MO) para conduzir localmente as pequenas máquinas.

A nova abordagem pode realmente ser fabricado usando métodos de litografia padrão e perfeitamente integrados no chip, permitindo que os pesquisadores alcancem tamanhos de até dezenas de micrômetros (μm) com movimentos precisos na escala submicrométrica. 

Em sua prova de conceito, a equipe demonstrou a construção de trens de engrenagens microscópicos acionados por uma única engrenagem motriz, com uma metasuperfície ativada por uma onda de luz plana. Eles também desenvolveram uma "micromáquina versátil de pinhão e cremalheira", capaz de realizar movimentos periódicos, transduzir movimento rotacional e controlar pequenos espelhos para deflexão de luz.

O processo de fabricação no chip permite uma integração direta. Ao mesmo tempo, o uso da luz como fonte de energia facilmente controlável permite que metamáquinas miniaturizadas ofereçam movimento e controle precisos, abrindo assim novas possibilidades para sistemas em micro e nanoescala, observou o estudo.

Redução de sistemas mecânicos para miniaturização avançada

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De moinhos antigos à robótica moderna, de relógios simples a carros complexos, as engrenagens estão em toda parte, refletindo o avanço da tecnologia humana. 

Esses mecanismos de engrenagens são sistemas onde engrenagens interligadas transferem movimento, força e potência para executar tarefas com eficiência. Cruciais para aplicações automotivas, aeroespaciais, robóticas e outras, esses sistemas controle preciso por mudança velocidade e aumentando vantagem mecânica.

Os avanços atuais em equipamentos se concentram em miniaturizá-los para escalas micrométricas, o que reduzirá o desperdício e aumentará a eficiência do material. 

Esta também abrirá novas possibilidades para mecanizar e explorar uma escala de comprimento que até agora permanece fora do alcance. Por exemplo, a redução do sistema irá proporcionar-nos uma compreensão mais profunda para dentro atrito e interações de superfície, ao mesmo tempo que permitem inovações como dispositivos microfluídicos de alto desempenho e tecnologias ópticas reconfiguráveis.

Atualmente, os esforços nesse sentido têm sido centrado na criação de micromotores individuais, que são pequenos objetos capazes de girar. E para alimentá-los, mecanismos como campos elétricos estáticos e CA, campos de luz e campos magnéticos foram explorados.

No entanto, o problema tem sido integrar micromotores em mecanismos pequenos e engrenados que realmente funcionam, o que criou a necessidade de uma abordagem escalável.

O mais recente avanço da pesquisa fornece uma solução ao criar pequenas engrenagens que podem ser alimentadas diretamente pela luz, permitindo assim a construção dos menores motores já feitos para aplicações em chip. 

Como o estudo observou, avanços recentes na matéria ativa têm usado luz desfocada para mover pequenos veículos usando metassuperfícies que produzem forças ópticas laterais por meio de espalhamento de luz direcional. 

Microveículos com essas nanoestruturas dispostas em um padrão paralelo têm foi mostrado para impulsionar para a frente sob a luz polarizada linearmente. Eles também podem ser controlado usando luz polarizada via transferência de momento angular de spin.

Além disso, a disposição dos dispersores em um padrão circular demonstrou permitir a rotação sob luz polarizada linearmente. Projetos ainda mais avançados utilizam quatro nanoantenas plasmônicas quirais endereçáveis ​​individualmente, que permitem o controle total do movimento bidimensional por meio da aplicação de luz de comprimento de onda duplo.

Com base nesses avanços, a equipe criou um mecanismo de engrenagem acionado por metassuperfícies ópticas que funcionam sob iluminação constante.

Metassuperfícies são projetados especificamente, materiais 2D ultrafinos que são feitos de estruturas de subcomprimento de onda que controlam ondas eletromagnéticas manipulando sua fase, amplitude e polarização. Ao moldar precisamente essas ondas, as metassuperfícies permitem aplicações como lentes, visores holográficos, sensores avançados, coleta eficiente de energia e melhorado sistemas de comunicação sem fio.

Metassuperfícies ópticas (MOs) oferecem candidatos promissores para solucionar o gargalo de elementos ópticos volumosos. Elas oferecem uma nova maneira de manipular a luz com base no espalhamento de nanoestruturas ressonantes, oferecendo assim controle eficiente de fase, polarização e emissão.

Para incorporar o metamaterial óptico nas engrenagens diretamente em um microchip, a equipe usou fotolitografia padrão.

A fotolitografia é um processo de microfabricação que usa luz para transferir um padrão geométrico de uma fotomáscara em um material sensível à luz (fotorresiste) sobre um substrato, como uma pastilha de silício. Esse processo é fundamental para criar os padrões complexos encontrados em semicondutores.

Quanto ao material usado nas engrenagens, cada uma das quais tem apenas algumas dezenas de micrômetros (0.016 μm especificamente) de diâmetro, a equipe usou silício.

O silício (Si) é um elemento crucial for tecnologia moderna que serve como material semicondutor essencial em microchips e transistores. A equipe usou-o como seu material principal for sua compatibilidade com a fotolitografia, facilitando assim fabricação em larga escala.

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Revolucionando a Medicina com Pequenas Máquinas

Em vez de empregar a mecânica tradicional, a equipe de pesquisa da Universidade de Gotemburgo usou luz laser para construir engrenagens microscópicas que podem não apenas girar, mas também mudar de direção e até mesmo alimentar máquinas microscópicas.

O motor é tão pequeno que cabe perfeitamente dentro de um fio de cabelo. Esses avanços são esperados para levar a ferramentas médicas futuristas que terão apenas o tamanho de células humanas.

Com essa descoberta, os pesquisadores superaram a limitação de construir trens de acionamento menores que movem micromotores, o que paralisou seu progresso para 0.1 mm, simplesmente abandonando os trens de acionamento completamente.

As máquinas microscópicas são acionadas pela luz laser. Para a que. , A equipe de usava metamateriais ópticos, da pequenas estruturas com padrões intrincados que podem capturar anteriormente controlar a luz com grande precisão e em uma escala muito pequena.

Ao direcionar um laser sobre o metamaterial, os pesquisadores fazem a engrenagem girar e, ao controlar a intensidade da luz do laser, controlam a velocidade. Além disso, eles podem mudar a direção da engrenagem ajustando a polarização da luz. 

Construímos um conjunto de engrenagens no qual uma engrenagem acionada pela luz aciona toda a corrente. As engrenagens também podem converter a rotação em movimento linear, realizar movimentos periódicos e controlar espelhos microscópicos para refletir a luz.

– Gan Wang, o primeiro autor do estudo e pesquisador em física da matéria mole na Universidade

Essa capacidade de integrar máquinas microscópicas diretamente em um chip e impulsioná-las com luz abre novas e interessantes possibilidades. 

Para começar, os pesquisadores estão mais perto de construir micromotores, que podem ser ampliados para microsistemas complexos, já que a luz do laser é fácil de controlar e não precisa ter um contato fixo com a máquina.

"Esta é uma maneira fundamentalmente nova de pensar a mecânica em microescala. Ao substituir acoplamentos volumosos por outros leves, podemos finalmente superar a barreira do tamanho."

–Wang

Outra possibilidade é a utilização de micromáquinas e nanomáquinas, que podem manipular pequenas partículas ou ser incorporadas em sistemas de laboratório em chip, permitindo a avaliação de sistemas biológicos.

O uso da luz como uma fonte de energia amplamente disponível e biocompatível torna o micromotor adequado para manipular células, bactérias e outras matérias biológicas. 

O sistema usava um laser padrão de 1064 nm, que tem baixa absorção pela água e pelos tecidos, e, como resultado, diminui qualquer danos às amostras biológicas. Além disso, a luz opera com baixa necessidade de energia, apenas alguns mW, ume está dentro dos limites seguros para sistemas biológicos. 

notável, a luz pode ser direcionada seletivamente à engrenagem motriz, o que evita a necessidade expor diretamente amostras biológicas à fonte de luz. Este mecanismo indireto e não prejudicial para fornecer energia expande as aplicações da luz dirigidaven metaquinas e micromotores em ambientes biomédicos.

Mais especificamente, engrenagens microscópicas podem ajudar a regular fluxos de fluidos ou controlar sistemas de administração de medicamentos.

Com engrenagens medindo de 16 a 20 μm, o tamanho de certas células humanas, os novos micromotores poderiam ser usados ​​como bombas dentro do corpo humano para regular vários fluxos, e também podem funcionar como válvulas que abrem e fecham.

Além de tudo isso, o complexo processo de fabricação em várias etapas no chip usado aqui é compatível com a amplamente utilizada litografia complementar de óxido metálico-semicondutor (CMOS), o que pode facilitar sua integração suave com outros componentes CMOS, como sensores plasmônicos e metalenses.

Com suas engrenagens leves em escala micrométrica, o estudo promete capacidades inovadoras em sistemas mecânicos em micro e nanoescala. No entanto, ainda há uma limitação em confiar em metassuperfícies pré-projetadas, o que restringe ajuste de movimento dinâmico.

Para resolver isso, os pesquisadores recomendaram integrar materiais de transição de fase, como o dióxido de vanádio (VO2), no projeto da metasuperfície. Esta permitirá a reconfiguração em tempo real de sistemas ópticos propriedades em resposta a estímulos externos, como luz, temperatura ou campos elétricos. 

Eles também sugeriram materiais alternativos de metassuperfície, como o TiO2, para estender o comprimento de onda operacional para a região da luz visível, o que simplificará a calibração óptica e potencialmente melhorar a adaptabilidade, o desempenho e a aplicabilidade do sistema em diversos ambientes.

O salto da miniaturização na medicina

MiA niaturação vem revolucionando a eletrônica há décadas. A fabricação de dispositivos menores, mais eficientes em termos energéticos e de alto desempenho possibilitou avanços em smartphones, wearables e sistemas de comunicação.

Esta, no entanto, é igualmente importante na medicina, onde máquinas em miniatura podem permitir maior precisão. Essas ferramentas podem não apenas aprimorar o diagnóstico, mas também possibilitar novas terapias em nível celular. e fazer cuidados de saúde mais acessíveis.

Por isso, os investigadores estão a explorar diversificada miniaturização para medicamento.

Como vimos com as engrenagens de metassuperfície de Gotemburgo, eles resolveram gargalos de atuação eliminando os trens de força. Outra equipe resolveu o problema incorporando sensores diretamente em suas máquinas. e é abrindo caminho para aplicações reais de dispositivos inteligentes em miniatura.

O equipe de pesquisadores da Escola de Circuitos Integrados e do Laboratório Nacional de Optoeletrônica de Wuhan, A Universidade de Ciência e Tecnologia de Huazhong, na China, tem desenvolvido máquinas magneto-ultrassônicas em miniatura² para detecção e manipulação robótica sem fio.

Este estudo aborda a questão da incompatibilidade entre detecção e atuação em escalas microscópicas que obstruem o desenvolvimento de sistemas inteligentes em miniatura que podem avançar significativamente as aplicações biomédicas. 

Como solução, os pesquisadores propuseram uma nova abordagem que incorpora sensores ultrassônicos macios (EUSSs) incorporados com atuadores magnéticos. O EUSS é macio, compacto e leve em design. Com um peso de apenas 4.6 miligramas e dimensões de 1.3 mm x 1.3 mm x 1.6 mm, ele é compatível com componentes macios e rígidos, tanto em tamanho quanto em deformabilidade. 

Além disso, a equipe projetou transdutores de bordo e, além de campos magnéticos externos, usou comunicação ultrassônica passiva, o que lhes permitiu detectar e regular sem fio força, vibração, temperatura e viscosidade.

Quando testado em coelhos e suínos, a equipe descobriu que o dispositivo oferecia dosagem precisa de medicamentos, monitoramento fisiológico e controle de feedback robótico.

Em outro caso, os pesquisadores da EPFL desenvolvido³ uma Interface Cérebro-Máquina Miniaturizada (MiBMI) que aumenta a eficiência anteriormente escalabilidade dos IMCs, que oferece uma maneira promissora de restaurar o controle e a comunicação de indivíduos com deficiências motoras graves.

Sendo pequeno e de baixo consumo de energia, o sistema torna-o adequado para aplicações implantáveis, enquanto sua invasividade mínima garante a segurança do paciente. É um sistema totalmente integrado com da gravação e processamento feitos em dois clientes pequenas lascas. 

"O MiBMI nos permite converter atividade neural complexa em texto legível com alta precisão e baixo consumo de energia. Esse avanço nos aproxima de soluções práticas e implantáveis ​​que podem aprimorar significativamente as habilidades de comunicação de indivíduos com deficiências motoras graves."

– Mahsa Shoaran, em cujo Laboratório de Neurotecnologias Integradas (INL) na EPFL o dispositivo foi desenvolvido

Investindo no futuro da tecnologia miniaturizada

Enquanto o valor de mercado é de US$ 122.6 bilhões Medtronic (MDT -0.75%) possui um amplo portfólio em dispositivos médicos, como microssensores, atuadores e dispositivos de assistência robótica, e uma capitalização de mercado de US$ 12 bilhões Lumentum Holdings (LITE -3.37%) está avançando no campo óptico e fotônico. Hoje, abordaremos o potencial de investimento de Corporação SiTime (SITM + 0.25%), que ilustra como os MEMS (sistemas microeletromecânicos) são dimensionados e como sua integração em chips é tratada comercialmente.

Corporação SiTime (SITM + 0.25%)

A SiTime é uma empresa analógica e de semicondutores cujos produtos são usados para temporização precisa em eletrônicos.

Nesta semana, a SiTime Corporation anunciou o lançamento da Titan Platform, uma família de ressonadores MEMS cerca de quatro vezes menor do que as menores alternativas de quartzo tradicionais. Segundo a empresa, isso permitirá uma "miniaturização sem precedentes", bem como a integração em pequenos dispositivos alimentados por bateria, impulsionando a próxima onda de inovação em dispositivos médicos, wearables e IoT industrial.

Com uma capitalização de mercado de quase US$ 8 bilhões, As ações da SiTime estão sendo negociadas atualmente a US$ 306.5, uma alta de 42.3% no acumulado do ano (YTD). Em abril do ano passado, as ações da SITM estavam abaixo de US$ 100 e subiram mais de 323% desde então. As ações também subiram mais de 106% desde a mínima de abril, em linha com o mercado de ações em geral, que atingiu máximas históricas. 

Financeiramente, a empresa relatou um aumento de 58% em receita líquida para US$ 69.5 milhões no segundo trimestre de 2025.

O lucro bruto GAAP foi de US$ 36.1 milhões, as despesas operacionais GAAP foram de US$ 60.7 milhões e o prejuízo líquido GAAP foi de US$ 20.2 milhões, ou US$ 0.84 por ação diluída. O lucro bruto não GAAP foi de US$ 40.5 milhões, as despesas operacionais não GAAP foram de US$ 33.3 milhões e o lucro líquido não GAAP foi de US$ 11.6 milhões, ou US$ 0.47 por ação diluída.

O crescimento contínuo da SiTime em nossos mercados finais demonstra que nosso foco em aplicações de alto desempenho está funcionando. A receita do nosso mercado de Comunicações, Empresas e Data Center (CED) cresceu 137% em relação ao ano anterior, impulsionada pela IA, que criou uma forte demanda por nossas soluções de Precision Timing.

– CEO Rajesh Vashist

A empresa encerrou o trimestre com US$ 796.7 milhões em dinheiro total, equivalentes de caixa e investimentos de curto prazo.

Últimas SiTime Corporation (SITM) Notícias e desenvolvimentos de ações

Conclusão

A microengenharia pretende transformar nossa abordagem mecânica aos sistemas microscópicos, e o mais recente avanço na criação de engrenagens em escala micrométrica torna isso possível. As novas engrenagens minúsculas movidas a luz prometem revolucionar a medicina ao alimentar máquinas do tamanho de células humanas.

Esta reflete a transição da miniaturização da eletrônica para a medicina, o que mostra que a escalaA tecnologia de redução de custos não se trata apenas de eficiência, mas também de desbloquear possibilidades inteiramente novas.

Com o tempo, esses dispositivos continuarão a ficar menores e mais capazes, abrindo caminho para microsistemas autônomos que um dia poderão operar perfeitamente dentro do corpo humano.dy, onde eles regularão fluxos, administrarão medicamentos e podem até mesmo reparar tecidos no nível celular.

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Referências:

<sup>1. Wang, G., Rey, M., Ciarlo, A., Shanei, M., Xiong, K., Pesce, G., Käll, M. & Volpe, G. (2025). Metamáquinas com engrenagens microscópicas. Natureza das Comunicações, 16:7767. (Versão do Registro), publicado em 20 de agosto de 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). Máquinas magneto-ultrassônicas em miniatura para detecção e manipulação robótica sem fio. Robótica ciência, 10(106). (Versão do Registro), publicado em 17 de setembro de 2025. https://doi.org/10.1126/scirobotics.adu4851
3. Shaeri, M., Shin, U., Yadav, A., Caramellino, R., Rainer, G., & Shoaran, M. (2024). Uma interface cérebro-máquina miniaturizada (MiBMI) de 2.46 mm² que permite decodificação de 31 classes de cérebro para texto. Jornal IEEE de Circuitos de Estado Sólido, 59(11), 3566–3579. (Versão do Registro), publicado em novembro de 2024. https://doi.org/10.1109/JSSC.2024.3443254</sup>