Ljusdrivna växlar: Bygga de minsta motorerna för medicin

Trenden med miniatyrisering har genomsyrat en bred range av industrier.

I synnerhet pågår ansträngningar för att skapa mindre, mer effektiva och kraftfulla enheter inom olika områden, inklusive elektronik, artificiell intelligens, rymd och medicin.

Begreppet miniatyrisering innebär 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 ökad tillgänglighet och innovation.

Miniatyriseringen av mekaniska maskiner är faktiskt nyckeln till att främja nanoteknik och minska miljöpåverkan från enheten. Men det är mer komplext på grund av hur de strukturella egenskaperna hos mekaniska delar förändras när de skalas ned.

Inom mekatronik har forskare arbetat med att förminska viktiga maskinkomponenter såsom växlar och mikromotorer under de senaste decennierna. Men dessa ingenjörsmässiga ansträngningar har mött begränsningar runt 0,1 millimeter (mm).

Det beror på komplexiteten kring konstruktion av drivlinor och kopplingsystem på sådan liten skala.

Men ett team av forskare från Göteborgs universitet har slutligen funnit ett alternativ för att uppnå detta. I en studie publicerad i Nature, med titeln ‘Mikroskopiska växlad metamaskiner¹, presenterar de sin metod som innebär att använda optiska metaytor (OM) för att lokalt driva de små maskinerna.

Den nya metoden kan faktiskt tillverkas med standardlitografimetoder och integreras sömlöst på chipet, vilket möjliggör för forskarna att uppnå storlekar ned till tiotals mikrometer (μm) med rörelser exakta till submikrometerskalan.

I sin bevisidé presenterade teamet konstruktionen av mikroskopiska växellådor som drivs av en enda drivväxel, med en metayta aktiverad av en plan ljusvåg. De utvecklade också en “användbar pinjong och rack-mikromaskin”, kapabel att utföra periodisk rörelse, omvandla rotationsrörelse och kontrollera små speglar för ljusavledning.

Tillverkningsprocessen på chipet möjliggör enkel integration. Samtidigt möjliggör användningen av ljus som en lättkontrollerbar energikälla att miniatyriserade metamaskiner erbjuder exakt rörelse och kontroll, vilket därmed låser upp nya möjligheter för mikro- och nanoskalsystem, noterade studien.

Nedskalning av mekaniska system för avancerad miniatyrisering

Swipe to scroll →

Från antika kvarnar till moderna robotar och enkla ur till komplexa bilar, växlar finns överallt, vilket speglar framstegen inom mänsklig teknik.

Dessa växlade mekanismer är system där sammanlänkade växlar överför rörelse, kraft och effekt för att utföra uppgifter effektivt. Viktiga för fordons-, rymd-, robot- och andra tillämpningar, dessa system erbjuder exakt kontroll genom att ändra hastighet och öka mekanisk fördel.

Nuvarande växelframsteg fokuserar på att förminska dem till mikrometerskala, vilket kommer att minska avfall och förbättra materialegenskaper.

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 av friktion och ytkontakt, samtidigt som det möjliggör innovationer såsom högpresterande mikrofluidiska enheter och omkonfigurerbara optiska tekniker.

För närvarande har ansträngningarna i detta avseende koncentrerats på att skapa enskilda mikromotorer, som är små föremål som kan rotera. Och för att driva dem, har mekanismer som statiska och växelströms elektriska fält, ljusfält och magnetfält undersökts.

Men problemet har varit att integrera mikromotorer i små, växlade mekanismer som faktiskt fungerar, vilket har skapat ett behov av en skalbar metod.

Den senaste forskningsgenombrottet erbjuder en lösning genom att skapa små växlar som kan drivas direkt av ljus, vilket möjliggör konstruktionen av de minsta motorerna någonsin för på-chip-tillämpningar.

Som studien noterade, har nyliga framsteg inom aktiv materia använt ofokuserat ljus för att flytta små fordon med metaytor som producerar laterala optiska krafter via riktad ljusspridning.

Mikrofordon med dessa nanostrukturer arrangerade i en parallell mönster har visats att framdriva under linjärt polariserat ljus. De kan också kontrolleras med polariserat ljus via spin-vinkelöverföring.

Dessutom har utläggning av spridarna i en cirkulär mönster visat sig tillåta rotation under linjärt polariserat ljus. Även mer avancerade design använder fyra individuellt adresserbara kiraliska plasmoniska nanoantenn, som möjliggör full 2D-rörelsekontroll genom tillämpning av dubbel-våglängds ljus.

Byggande på dessa framsteg, har teamet skapat en växlad mekanism som drivs av optiska metaytor som fungerar under stadig belysning.

Metaytor är särskilt utformade, ultra-tunna 2D-material som är tillverkade av subvåglängdsstrukturer som kontrollerar elektromagnetiska vågor genom att manipulera deras fas, amplitud och polarisation. Genom att exakt forma dessa vågor, möjliggör metaytor applikationer såsom linser, holografiska skärmar, avancerade sensorer, effektiv energiinsamling och förbättrade trådlösa kommunikationssystem.

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

För att infoga den optiska metamaterialet i växlarna direkt på en mikrochip, använde teamet standardfotolitografi.

Fotolitografi är en mikrotilverkningsprocess som använder ljus för att överföra ett geometriskt mönster från en fotmask till ett ljuskänsligt material (fotoreceptor) på en substrat, såsom en kiselskiva. Denna process är nyckeln till att skapa de intrikata mönster som finns i halvledare.

Vad gäller materialet som användes för växlarna, varje växel är endast några tiotals mikrometer (0,016 μm specifikt) i diameter, använde teamet kisel.

Kisel (Si) är ett viktigt element för modern teknik som tjänar som det essentiella halvledarmaterialet i mikrochip och transistorer. Teamet använde det som sitt primära material för dess kompatibilitet med fotolitografi, vilket underlättar stor skala tillverkning.

Klicka här för att lära dig om masklös litografi, en spelväxlare för chip-tillverkare

Revolutionera medicin med små maskiner

I stället för att använda traditionell mekanik, använde forskarteamet vid Göteborgs universitet laserljus för att bygga mikroskopiska växlar som inte bara kan rotera utan också ändra riktning och till och med driva mikroskopiska maskiner.

Motorn är så liten att den kan passa inuti en hårstrå. Dessa framsteg hoppas leda till framtida medicinska verktyg som kommer att vara lika stora som mänskliga celler.

Genom att använda laserljus, har forskarna övervunnit begränsningen att bygga mindre drivlinor som flyttar mikromotorer, som tidigare hade stannat vid 0,1 mm, genom att enkelt slopa drivlinorna.

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

Genom att rikta laserljus mot metamaterialet, får forskarna växeln att rotera, och genom att kontrollera laserljusets intensitet, kontrollerar de hastigheten. Dessutom kan de ändra riktningen på växeln genom att justera ljuspolarisationen.

“Vi har byggt en växellåda där en ljusdriven växel sätter hela kedjan i rörelse. Växlarna kan också omvandla rotation till linjär rörelse, utföra periodiska rörelser och kontrollera mikroskopiska speglar för att avleda ljus.”

– Gan Wang, studiens första författare och forskare i mjuk materiafysik vid universitetet

Denna förmåga att integrera mikroskopiska maskiner direkt på en 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 en fast kontakt med maskinen.

“Detta är ett fundamentalt nytt sätt att tänka om mekanik på mikroskala. Genom att ersätta klumpiga kopplingar med ljusa, kan vi slutligen övervinna storleksbegränsningen.”

– 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 utvärdering av biologiska system.

Användningen av 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 av vatten och vävnader, och därmed minskar eventuell skada på biologiska prover. Dessutom fungerar ljuset vid en låg effektbehov, endast några milliwatt, och är inom säkra trösklar för biologiska system.

Viktigt är att ljuset kan riktas selektivt till den drivande växeln, vilket eliminerar behovet av att direkt exponera biologiska prover för ljuskällan. Denna indirekta, ofarliga mekanism för energiöverföring utökar tillämpningarna av ljusdrivna metmaskiner och mikromotorer i biomedicinska miljöer.

Mikroskopiska växlar kan hjälpa till att reglera fluidflöden eller kontrollera system för läkemedelsdistribution.

Med växlar som mäter 16 till 20 μm, storleken på vissa mänskliga celler, kan de nya mikromotorerna användas som pumpar inuti kroppen för att reglera olika flöden, och de kan också fungera som ventiler som öppnar och stänger.

Dessutom är den intrikata, multi-stegsprocessen för tillverkning på chipet som användes här kompatibel med den allmänt använda Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS)-litografin, vilket kan underlätta dess smidiga integration med andra CMOS-komponenter som plasmoniska sensorer och metalenser.

Med sina ljusdrivna växlar på mikrometerskala lovar studien banbrytande förmågor inom mikro- och nanoskalsystem. Men det finns fortfarande en begränsning i att förlita sig på fördesignade metaytor, som begränsar dynamisk rörelsejusterbarhet.

För att åtgärda detta, rekommenderade forskarna att integrera fasövergångsmaterial som vanadin(IV)oxid (VO2) i metaytans design. Detta kommer att möjliggöra realtidsomkonfiguration av optiska egenskaper i svar på yttre stimuli som ljus, temperatur eller elektriska fält.

De föreslog också alternativa metaytmaterial 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.

Miniatyriseringens språng in i medicin

Miniatyrisering har revolutionerat elektronik under decennier. 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 hälsovård mer tillgänglig.

Därför utforskar forskare utvidgning av miniatyrisering till medicin.

Som vi såg med Göteborgs metayt-växlar, löste de aktiveringsbottleneck genom att eliminera drivlinor. Ett annat team löste det genom att infoga avkänning direkt i sina maskiner och banar väg för realistiska tillämpningar av intelligenta miniatyriserade enheter.

Forskarteamet från School of Integrated Circuits och Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, Huazhong University of Science and Technology, Kina, har utvecklat miniatyriserade magneto-ultrasoniska maskiner² för trådlös robotisk avkänning och manipulation.

Denna studie adresserar problemet med avkänning-aktivering oförenlighet på mikroskala som hindrar utvecklingen av intelligenta miniatyriserade system som kan avsevärt förbättra biomedicinska tillämpningar.

Som en lösning, föreslog forskarna en ny metod som integrerar inbäddade ultraljuds-mjuka sensorer (EUSS) med magnetiska aktuatorer. EUSS är mjuk, kompakt och lätt i design. Med en vikt på endast 4,6 milligram och dimensioner på 1,3 mm x 1,3 mm x 1,6 mm, är den kompatibel med både mjuka och styva komponenter i både storlek och deformabilitet.

Dessutom designade teamet ombordstransducera och, utöver externa magnetfält, använde de passiv ultraljudskommunikation, vilket möjliggjorde trådlös avkänning och reglering av kraft, vibration, temperatur och viskositet.

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

I ett annat fall utvecklade³ forskare vid EPFL en Miniaturiserad Hjärna-Maskin-Gränssnitt (MiBMI) som förbättrar effektiviteten såväl som skalbarheten hos Hjärna-Maskin-Gränssnitt (BMI), vilket erbjuder en lovande väg att återställa kontroll och kommunikation till individer med allvarliga motoriska funktionshinder.

Vare sig det är litet eller låg effekt, gör systemet det lämpligt för implantabla tillämpningar, medan dess minimala invasivitet säkerställer patientsäkerhet. Det är ett fullständigt integrerat system med avkänning och bearbetning som utförs på två verkligen små chip.

“MiBMI tillåter oss att omvandla invecklad neural aktivitet till läsbar text med hög noggrannhet och låg effekt. Denna framsteg bringar oss närmare praktiska, implantabla lösningar som kan avsevärt förbättra kommunikationsförmågor för individer med allvarliga motoriska funktionshinder.”

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

Investera i framtiden för miniatyriserad teknik

Medan $122,6 miljarder marknadsvärde Medtronic (MDT ) skryter med en bred portfölj inom medicinska enheter som mikrosensorer, aktuatorer och robotiska hjälpmedel, och $12 miljarder marknadsvärde Lumentum Holdings (LITE ) främjar den optiska och fotoniska fältet. Idag kommer vi att täcka investeringspotentialen i SiTime Corporation (SITM ), som visar hur MEMS (mikro-elektromekaniska system) skalas och hur deras integration i chip hanteras kommersiellt.

SiTime Corporation (SITM )

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

Bara den här veckan meddelade SiTime Corporation lanseringen av Titan-plattformen, en familj av MEMS-resonatorer som är cirka fyra gånger mindre än de minsta arvsmässiga kvartsalternativen. Enligt företaget kommer detta att möjliggöra “utan motstycke miniatyrisering” samt integration i små, batteridrivna enheter, som kommer att driva den nästa vågen av innovation inom medicinska enheter, wearables och industriell IoT.

Med ett marknadsvärde på nästan $8 miljarder, handlas SiTimes aktier för närvarande till $306,5, upp 42,3% år-till-datum (YTD). Bara förra året i april var SITM-aktierna under $100 och har stigit med över 323% sedan dess. Aktien är också upp över 106% sedan april-lägsta, i linje med den breda aktiemarknaden, som har stigit till rekordhöga nivåer.

Finansiellt sett rapporterade företaget en 58% ökning av nettoomsättning till $69,5 miljoner under det andra kvartalet 2025.

Deras GAAP-bruttoresultat var $36,1 miljoner, GAAP-driftskostnader var $60,7 miljoner och GAAP-nettoförlust var $20,2 miljoner, eller $0,84 per utspädd aktie. Samtidigt var icke-GAAP-bruttoresultatet $40,5 miljoner, icke-GAAP-driftskostnader var $33,3 miljoner och icke-GAAP-nettoresultatet var $11,6 miljoner, eller $0,47 per utspädd aktie.

“SiTimes fortsatta momentum över våra slutmarknader visar att vår fokus på högpresterande applikationer fungerar. Intäkter från vår Kommunikation, Företag och Datacenter-marknad (CED) ökade 137% år över år, driven av AI som skapade stark efterfrågan på våra Precision Timing-lösningar.”

– VD Rajesh Vashist

Företaget avslutade kvartalet med $796,7 miljoner i totala kontanter, kontanter och kortfristiga investeringar.

Senaste SiTime Corporation (SITM) aktie nyheter och utvecklingar

Slutsats

Mikroingenjörskonst står i begrepp att omvandla vår mekaniska tillvägagångssätt för mikroskopiska system, och den senaste genombrottet i skapandet av växlar på mikrometerskala gör det möjligt. De nyligen utvecklade små ljusdrivna växlarna lovar att revolutionera medicin genom att driva maskiner som är lika stora som mänskliga celler.

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

Med tiden kommer dessa enheter att fortsätta bli mindre och mer kapabla, och bana väg för autonoma mikrosystem som en dag kan fungera sömlöst inuti den mänskliga kroppen, där de kommer att reglera flöden, leverera läkemedel och kanske till och med reparera vävnader på cellnivå.

Klicka här för att lära dig om hur 3D-utskrivna 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 växlad metamaskiner. 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). Miniatyriserade 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). En 2,46-mm² miniaturiserad hjärna-maskin-gränssnitt (MiBMI) som möjliggör 31-klass hjärna-till-text-dekodning. 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>