Ljusdrivna kugghjul: Bygga de minsta motorerna för medicin

Trenden med miniaturisering har genomsyrat ett brett spektrum av industrier.

Särskilt pågår ansträngningar för att skapa mindre, mer effektiva och kraftfullare enheter inom olika områden, inklusive elektronik, artificiell intelligens, rymden och medicin.

Miniaturiseringskonceptet innebär helt enkelt tillverkning av mindre produkter och enheter. Detta resulterar i lättare, mer kompakta och bärbara produkter med förbättrad prestanda och lägre kostnader, vilket leder till större tillgänglighet och innovation.

Miniaturiseringen av mekaniska maskiner är faktiskt nyckeln till att driva fram nanoteknik och minska enheternas miljöpåverkan. Det är dock mer komplext på grund av hur de strukturella egenskaperna hos mekaniska delar förändras när de skalas ner.

Inom mekatronik har forskare arbetat med att minska nyckelkomponenter i maskiner, såsom kugghjul och mikromotorer, under de senaste decennierna. Dessa ingenjörsinsatser har dock stött på begränsningar vid omkring 0,1 millimeter (mm).

Det beror på komplexiteten i att konstruera drivsystem och kopplingssystem i så liten skala.

Men ett team av forskare från Göteborgs universitet har äntligen hittat ett alternativ för att uppnå detta. Publicerad i Nature beskriver studien med titeln ‘Mikroskopiska kugghjulsmetamaskiner¹‘ deras metod som innebär att använda optiska metasurfaces (OM) för att lokalt driva de små maskinerna.

Den nya metoden kan faktiskt tillverkas med standardlitografimetoder och sömlöst integreras på chipet, vilket gör det möjligt för forskarna att nå storlekar ner till tiotals mikrometer (μm) med rörelser som är precisa på submikrometerskala. 

I deras bevis på koncept demonstrerade teamet konstruktionen av mikroskopiska kugghjulsdrivningar som drivs av ett enda drivkugghjul, med en metasurface aktiverad av en plan ljusvåg. De utvecklade också en ”mångsidig pinjong- och räffel‑mikromaskin”, som kan utföra periodisk rörelse, omvandla rotationsrörelse och styra små speglar för ljusavböjning.

Tillverkningsprocessen på chip möjliggör enkel integration. Samtidigt gör användningen av ljus som en lättkontrollerbar energikälla det möjligt för miniaturiserade metamaskiner att erbjuda exakt rörelse och kontroll, vilket öppnar nya möjligheter för mikro‑ och nanoskaliga system, noterade studien.

Minskning av mekaniska system för avancerad miniaturisering

Swipe to scroll →

Från antika kvarnar till modern robotik och enkla klockor till komplexa bilar, kugghjul finns överallt och speglar människans tekniska framsteg. 

Dessa kugghjulsmekanismer är system där sammanlänkade kugghjul överför rörelse, kraft och energi för att utföra uppgifter effektivt. Avgörande för fordons-, rymd-, robotik‑ och andra tillämpningar, dessa system erbjuder precis kontroll genom att ändra hastighet och öka den mekaniska fördelen.

Nuvarande framsteg inom kugghjul fokuserar på att miniaturisera dem till mikrometerskala, vilket kommer att minska avfall och förbättra materialeffektiviteten. 

Detta kommer också att öppna nya möjligheter för mekanisering och utforskning av en längdskala som hittills förblir utom räckhåll. Till exempel kommer miniatyrisering av systemet att ge oss en djupare förståelse för friktion och ytkontakter, samtidigt som det möjliggör innovationer såsom högpresterande mikrofluidiska enheter och omkonfigurerbara optiska teknologier.

För närvarande har ansträngningarna i detta avseende centrerats på att skapa enskilda mikromotorer, som är små objekt som kan rotera. Och för att driva dem har mekanismer som statiska och AC‑elektriska fält, ljusfält och magnetiska fält utforskats.

Problemet har dock varit att integrera mikromotorer i små, kugghjulsdrivna mekanismer som faktiskt fungerar, vilket har skapat ett behov av ett skalbart tillvägagångssätt.

Det senaste forskningsgenombrottet erbjuder en lösning genom att skapa små kugghjul som kan drivas direkt av ljus, vilket möjliggör konstruktionen av de minsta motorerna någonsin för chip‑baserade tillämpningar. 

Som studien noterade har de senaste framstegen inom aktiv materia använt ostrukturerat ljus för att driva små fordon med metasurfaces som producerar laterala optiska krafter via riktad ljusspridning. 

Mikrofordon med dessa nanostrukturer arrangerade i ett parallellt mönster har visat sig kunna drivas framåt under linjärt polariserat ljus. De kan också styras med polariserat ljus via överföring av spinn‑vinkelmoment.

Dessutom har arrangemang av spridarna i ett cirkulärt mönster visat sig möjliggöra rotation under linjärt polariserat ljus. Ännu mer avancerade designer använder fyra individuellt adresserbara kirala plasmoniska nanoantenner, som möjliggör full 2D‑rörelsekontroll genom att tillämpa dubbelvåglängds‑ljus.

Med dessa framsteg har teamet skapat en kugghjulsmekanism som drivs av optiska metasurfaces som fungerar under konstant belysning.

Metasurfaces är specifikt konstruerade, ultratunna 2D‑material som består av subvåglängdsstrukturer som kontrollerar elektromagnetiska vågor genom att manipulera deras fas, amplitud och polarisation. Genom att exakt forma dessa vågor möjliggör metasurfaces tillämpningar såsom linser, holografiska skärmar, avancerade sensorer, effektiv energihämtning och förbättrade trådlösa kommunikationssystem.

Optiska metasurfaces (OM) erbjuder här lovande kandidater för att lösa flaskhalsen med skrymmande optiska element. De ger ett nytt sätt att manipulera ljus baserat på spridning från resonanta nanostrukturer, vilket ger effektiv fas-, polarisation- och emissionskontroll.

För att integrera den optiska metamaterialen i kugghjulen direkt på ett mikrochip använde teamet standardfotolitografi.

Fotolitografi är en mikro‑tillverkningsprocess som använder ljus för att överföra ett geometriskt mönster från en fotomask till ett ljuskänsligt material (fotoresist) på ett substrat, såsom en kiselplatta. Denna process är nyckeln till att skapa de intrikata mönstren som finns i halvledare.

När det gäller materialet som användes för kugghjulen, som var endast omkring några tiotals mikrometer (specifikt 0,016 μm) i diameter, använde teamet kisel.

Kisel (Si) är ett avgörande element för modern teknik som fungerar som det essentiella halvledarmaterialet i mikrochip och transistorer. Teamet använde det som sitt primära material för dess kompatibilitet med fotolitografi, vilket underlättade storskalig tillverkning.

Klicka här för att lära dig om maskfri litografi, en spelväxlare för chipstillverkare

Revolutionera medicin med små maskiner

Istället för att använda traditionell mekanik använde forskarteamet vid Göteborgs universitet laserljus för att bygga mikroskopiska kugghjul som inte bara kan snurra utan också ändra riktning och till och med driva mikroskopiska maskiner.

Motorn är så liten att den lätt får plats i en hårstrå. Dessa framsteg förväntas leda till futuristiska medicinska verktyg som bara är storleken på mänskliga celler.

Med detta genombrott har forskarna övervunnit begränsningen att bygga mindre drivsystem som rör mikro‑motorer, vilket stoppade deras framsteg vid 0,1 mm, genom att helt enkelt avskaffa drivsystemen.

De mikroskopiska maskinerna sätts i stället i rörelse av laserljus. För det använde teamet optiska metamaterial, de små, intrikat mönstrade strukturer som kan fånga såväl som kontrollera ljus med stor precision och på mycket liten skala.

Genom att rikta en laser mot metamaterialet får forskarna kugghjulet att snurra, och genom att kontrollera laserintensiteten styr de hastigheten. Dessutom kan de ändra riktningen på kugghjulet genom att justera ljusets polarisation. 

“Vi har byggt ett kugghjulsdriv där ett ljusdrivet kugghjul sätter hela kedjan i rörelse. Kugghjulen kan också omvandla rotation till linjär rörelse, utföra periodiska rörelser och styra mikroskopiska speglar för att avböja ljus.”

– Gan Wang, studiens försteförfattare & forskare i mjuk materia‑fysik vid universitetet

Denna förmåga att integrera mikroskopiska maskiner direkt på ett chip och driva dem med ljus öppnar spännande nya möjligheter. 

Till att börja med är forskarna ett steg närmare att bygga mikromotorer, som kan skalas upp till komplexa mikrosystem, eftersom laserljus är lätt att kontrollera och inte behöver ha fast kontakt med maskinen.

“Detta är ett fundamentalt nytt sätt att tänka på mekanik på mikroskala. Genom att ersätta skrymmande kopplingar med ljuskopplingar kan vi äntligen övervinna storleksbarriären.”

– Wang

En annan möjlighet är användningen av mikromaskiner och nanomaskiner, som kan manipulera små partiklar eller integreras i lab‑on‑a‑chip‑system, vilket möjliggör bedömning av biologiska system.

Att använda ljus som en allmänt tillgänglig och biokompatibel energikälla gör mikromotorn väl lämpad för att manipulera celler, bakterier och annan biologisk materia. 

Systemet använde en standard 1064 nm laser, som har låg absorption i vatten och vävnader, och som ett resultat minskar eventuella skador på biologiska prover. Dessutom fungerar ljuset med ett lågt effektbehov, endast några mW, och ligger inom säkra gränser för biologiska system. 

Noterbart är att ljuset kan riktas selektivt till det drivande kugghjulet, vilket förhindrar behovet att direkt exponera biologiska prover för ljuskällan. Detta indirekta, ofarliga sätt att leverera energi utökar tillämpningarna av ljusdrivna metamaskiner och mikromotorer i biomedicinska miljöer.

Mer specifikt kan mikroskopiska kugghjul hjälpa till att reglera vätskeflöden eller kontrollera läkemedelsleveranssystem.

Med kugghjul som mäter 16 till 20 μm, storleken på vissa mänskliga celler, kan de nya mikromotorerna användas som pumpar inuti människokroppen för att reglera olika flöden, och de kan även fungera som ventiler som öppnas och stängs.

Dessutom är den intrikata, flerstegade processen för chip‑tillverkning som används här kompatibel med den vida använda Complementary Metal‑Oxide‑Semiconductor (CMOS)‑litografin, vilket kan underlätta smidig integration med andra CMOS‑komponenter som plasmoniska sensorer och metalenses.

Med sina ljusdrivna kugghjul på mikrometerskala lovar studien banbrytande möjligheter i mikro‑ och nanoskaliga mekaniska system. Det finns dock fortfarande en begränsning i att förlita sig på fördesignade metasurfaces, vilket begränsar den dynamiska rörelsens justerbarhet.

För att lösa detta rekommenderade forskarna att integrera fas‑övergångsmaterial som vanadin‑dioxid (VO2) i metasurface‑designen. Detta kommer att möjliggöra real‑tids‑omkonfiguration av optiska egenskaper som svar på externa stimuli såsom ljus, temperatur eller elektriska fält. 

De föreslog också alternativa metasurface‑material som TiO2 för att utöka den operativa våglängden till det synliga ljusområdet, vilket kommer att förenkla optisk kalibrering och potentiellt förbättra systemets anpassningsförmåga, prestanda och tillämpbarhet i olika miljöer.

Miniaturiseringens språng in i medicin

Miniaturisering har revolutionerat elektronik i årtionden nu. Tillverkningen av mindre, mer energieffektiva och högpresterande enheter har möjliggjort framsteg inom smartphones, wearables och kommunikationssystem.

Detta är dock lika viktigt inom medicin, där miniatyriserade maskiner kan möjliggöra större precision. Sådana verktyg kan inte bara förbättra diagnostik utan också möjliggöra nya terapier på cellnivå och göra vården mer tillgänglig.

Därför utforskar forskare att expandera miniaturiseringen till medicin.

Som vi såg med Göteborgs metasurface‑kugghjul löste de aktiveringsflaskhalsar genom att eliminera drivsystem. Ett annat team har löst det genom att integrera avkänning direkt i sina maskiner och banar vägen för verkliga tillämpningar av intelligenta miniatyriserade enheter.

Forskarteamet från School of Integrated Circuits and Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, Huazhong University of Science and Technology, Kina, har utvecklade miniatyriska magneto‑ultrasoniska maskiner för trådlös robotisk avkänning och manipulation².

Denna studie adresserar problemet med inkompatibilitet mellan avkänning och aktivering på mikroskopisk skala som hindrar utvecklingen av intelligenta miniatyriserade system som kan avsevärt främja biomedicinska tillämpningar.

Som en lösning föreslog forskarna ett nytt tillvägagångssätt som integrerar inbäddade ultrasoniska mjuka sensorer (EUSS) med magnetiska aktuatörer. EUSS är mjuk, kompakt och lätt i design. Med en vikt på endast 4,6 mg och dimensioner på 1,3 mm × 1,3 mm × 1,6 mm är den kompatibel med både mjuka och hårda komponenter i både storlek och deformerbarhet. 

Dessutom designade teamet ombordstransduktorer och, förutom externa magnetfält, använde de passiv ultraljudskommunikation, vilket gjorde det möjligt att trådlöst upptäcka och reglera kraft, vibration, temperatur och viskositet.

När de testades på kaniner och grisar fann teamet att enheten erbjöd exakt läkemedelsdosering, fysiologisk övervakning och robotisk återkopplingskontroll.

I ett annat fall har EPFL‑forskare utvecklat³ ett Miniaturiserat Brain‑Machine Interface (MiBMI) som förbättrar både effektiviteten och skalbarheten hos BMI‑er, vilket erbjuder ett lovande sätt att återställa kontroll och kommunikation för individer med svåra motoriska funktionsnedsättningar.

Genom att vara liten och låg‑effekt gör systemet det lämpligt för implantat‑tillämpningar, samtidigt som dess minimala invasivitet säkerställer patientens säkerhet. Det är ett fullt integrerat system med inspelning och bearbetning utförd på två verkligen små chip. 

“MiBMI gör det möjligt för oss att omvandla komplex neural aktivitet till läsbar text med hög noggrannhet och låg energiförbrukning. Detta framsteg för oss närmare praktiska, implantabla lösningar som kan avsevärt förbättra kommunikationsförmågan för individer med svåra motoriska funktionsnedsättningar.”

– Mahsa Shoaran, vid Integrated Neurotechnologies Laboratory (INL) på EPFL där enheten utvecklades

Investera i framtiden för miniaturiserad teknik

Medan $122,6 mrd marknadsvärde Medtronic (MDT ) har en bred portfölj av medicintekniska produkter såsom mikrosensorer, aktuatorer och robotassistiva enheter, och $12 mrd marknadsvärde Lumentum Holdings (LITE ) avancerar inom optik‑ och fotonikfältet. Idag kommer vi att behandla investeringspotentialen för SiTime Corporation (SITM ), som illustrerar hur MEMS (mikro‑elektro‑mekaniska system) skalar och hur deras integration i chip hanteras kommersiellt.

SiTime Corporation (SITM )

SiTime är ett analogt och halvledarföretag vars produkter används för exakt timing i elektronik.

Precis den här veckan meddelade SiTime Corporation lanseringen av Titan‑plattformen, en familj av MEMS‑resonatorer som är ungefär fyra gånger mindre än de minsta äldre kvartsalternativen. Enligt företaget kommer detta möjliggöra “oöverträffad miniaturisering” samt integration i små, batteridrivna enheter, vilket driver nästa våg av innovation inom medicintekniska enheter, wearables och industriell IoT.

Med en marknadskapitalisering på nästan $8 mrd, handlas SiTimes aktier för närvarande till $306,5, upp 42,3 % år‑till‑datum (YTD). Förra året i april låg SITM‑aktierna under $100 och har sedan dess stigit mer än 323 %. Aktien har också ökat med över 106 % sedan den låga nivån i april, i linje med den breda aktiemarknaden som har nått rekordnivåer. 

Finansiellt rapporterade företaget en 58 % ökning i nettoomsättning till $69,5 mio för andra kvartalet 2025.

Dess GAAP‑bruttovinst var $36,1 mio, GAAP‑driftskostnader var $60,7 mio, och GAAP‑nettofört förlust var $20,2 mio, eller $0,84 per utspädd aktie. Samtidigt var den icke‑GAAP‑bruttovinsten $40,5 mio, icke‑GAAP‑driftskostnader $33,3 mio och icke‑GAAP‑nettoinkomst $11,6 mio, eller $0,47 per utspädd aktie.

“SiTimes fortsatta momentum på våra slutmarknader visar att vårt fokus på högpresterande tillämpningar fungerar. Intäkterna från vår Communications, Enterprise, and Data Center‑marknad (CED) ökade med 137 % år‑över‑år, drivet av AI som skapade stark efterfrågan på våra Precision Timing‑lösningar.”

– VD Rajesh Vashist

Företaget avslutade kvartalet med $796,7 mio i totalt kontanter, likvida medel och kortfristiga investeringar.

Senaste SiTime Corporation (SITM) aktienyheter och utvecklingar

Slutsats

Mikro‑ingenjörskonst har potential att omvandla vårt mekaniska tillvägagångssätt för mikroskopiska system, och det senaste genombrottet i skapandet av kugghjul på mikrometerskala gör det möjligt. De nyutvecklade, små ljusdrivna kugghjulen lovar att revolutionera medicin genom att driva maskiner som bara är storleken på mänskliga celler.

Detta speglar övergången av miniaturisering från elektronik till medicin, vilket visar att nedskalning av teknik inte bara handlar om effektivitet utan också om att låsa upp helt nya möjligheter.

Med tiden kommer dessa enheter fortsätta bli mindre och mer kapabla, vilket banar väg för autonoma mikrosystem som en dag kan fungera sömlöst inuti människokroppen, där de reglerar flöden, levererar läkemedel och kanske till och med reparerar vävnader på cellnivå.

Klicka här för att lära dig hur 3D‑skrivna mikroskopiska partiklar kan förändra medicin och elektronik.

Referenser:

<sup>1. Wang, G., Rey, M., Ciarlo, A., Shanei, M., Xiong, K., Pesce, G., Käll, M. & Volpe, G. (2025). Mikroskopiska kugghjulsmetamaskiner. Nature Communications, 16:7767. (Version of Record), publicerad 20 augusti 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). Miniatyriska magneto‑ultrasoniska maskiner för trådlös robotisk avkänning och manipulation. Science Robotics, 10(106). (Version of Record), publicerad 17 september 2025. https://doi.org/10.1126/scirobotics.adu4851
3. Shaeri, M., Shin, U., Yadav, A., Caramellino, R., Rainer, G., & Shoaran, M. (2024). Ett 2,46‑mm² miniaturiserat hjärn‑maskin‑gränssnitt (MiBMI) som möjliggör 31‑klass av hjärn‑till‑text‑avkodning. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 59(11), 3566–3579. (Version of Record), publicerad november 2024. https://doi.org/10.1109/JSSC.2024.3443254</sup>