Att använda mikrobotar för att hålla havet rent

Researchers have figured out an effective way to keep the world’s waterways cleaner. A studie publicerad i ACS Nano den här veckan förklarar hur mikrobotar kan minska plastföroreningar i vattenmiljöer. Dessa magnetiskt drivna enheter erbjuder ett hållbart och återanvändbart alternativ på marknaden. Här är allt du behöver veta om hur forskare vill använda små robotar för att bekämpa föroreningar.

Mikroplaster orsakar problem

Mikroplaster är ett stort problem för världen. Dessa små partiklar bildas över tid när plastprodukter bryts ner. Mikroplaster är -5 mikrometer stora, vilket gör dem mycket svåra att samla in från vattenmiljöer. Tyvärr utgör dessa små plastpartiklar ekologiska och hälsorisker när de lämnas orörda.

Näringskedjor

Ett stort problem med mikroplaster är att de konsumeras av fisk och annat havsliv. Dessa partiklar äts upp, vilket introducerar mikroplaster i näringskedjan. Tyvärr slutar cykeln inte; även efter att mikroplasterna har nått mänsklig konsumtion, återvänder de till miljön.

Avföringsprover har bekräftat att mikroplaster har förorenat miljön så mycket att de nu är en del av din kropp. En studie fann att den genomsnittliga personen äter 50 000 plastpartiklar per år. Idag kan dessa skadliga partiklar hittas i nästan alla aspekter av livet, vilket gör det avgörande att minska dem med lämpliga system.

Bakterier

Mikroplaster är skadliga för hjärnutveckling och orsakar andra sjukdomar. Dessa små plastpartiklar lockar problematisk tillväxt av alger och bakterier. Dessa arter skapar patogener och orsakar sjukdom om de konsumeras eller inhaleras under längre perioder. Specifikt har studier kopplat andnings- och hjärt‑kärlsjukdomar till mikroplaster i luft, jord och vatten. Därför finns ett starkt behov av att minska deras miljö‑ och hälsoeffekter.

Mikrobotar

Mikrobotar är små maskiner som ofta innehåller en rörlig komponent som kan aktiveras med elektriska, kemiska eller magnetiska krafter. Det finns många tillämpningar för dessa små robotar, från hälso‑ och sjukvård till säkerhet och skydd. I detta fall försökte forskarna skapa en magnetiskt driven och styrd svärm som kan kontrolleras baserat på ström.

Deras skapelse var en 2,8‑mikrometer stor, magnetiskt styrd mikrobot. Från mikrobottarnas kroppar sträcker sig polymera sekestrationssträngar med positivt laddade magnetpartiklar. Denna struktur möjliggör att armarna och robotarna kan samlas in och styras via magneter. Specifikt utnyttjade forskarna aminosmodifierade Dynabeads funktionaliserade med den karboxylinnehållande liganden poly (N-[3-(dimetylamino)propyl] metakrylamid).‘

Svärmar förbättrar prestanda

Denna bots lilla storlek gör dem ineffektiva för att utföra de flesta uppgifter på egen hand. Däremot utnyttjar dessa system svärmar för att effektivt utföra komplexa uppgifter. Precis som i naturen skapar svärmar effektivitet och säkerställer att en enda felpunkt inte hindrar nödvändiga uppgifter från att slutföras. Således är mikrobotar ett annat exempel på hur människan efterliknar naturen.

I detta fall kan de magnetiska strängarna organisera sig när ett magnetfält appliceras. När de kombineras kan magnetfältet användas för att samordna rörelser för svärmen som en enhetlig helhet. Denna rörelse kan samla in mikroplaster och bakterier utan att lämna ytterligare avfall.

Experiment och testning

Forskarna började testa sina magnetiskt styrda polymermikrorobotsvärmar i vattenrengöringsuppgifter för att bedöma deras effektivitet och pålitlighet. De fann att när de självorganiserades till roterande plan, avlägsnade dessa små maskiner en betydande mängd föroreningar från vattnet med minimal energiförbrukning.
Deras testning började med att skapa en konstgjord förorenad miljö. Forskarna genomförde detta genom att introducera små 1‑mikrometer breda fluorescerande polystyrenpärlor i testvattnet. Därefter introducerade forskarna bakterier i ekvationen. De använde den vanliga pneumoniorsakande bakterien Pseudomonas aeruginosa, för att säkerställa ett verkligt exempel.

Tillsättning av mikrobotarna

Mikrobotarna tillsattes i testmiljön och ett magnetfält applicerades på gruppen. Noterbart hölls magnetfältet roterande i 30 minuter. Dessutom stängdes det av var tionde sekund. Fältet fick mikrobotarna att koncentreras till en koncentration på 7,5 milligram per millimeter, vilket visade sig vara idealiskt för rengöringsuppgifter.

Styrning av mikrobotarnas svärm

Forskarna fann att de fick betydande kontroll över enheterna genom magnetiska förstärkningar. De justerade svärmens riktning, hastighet, storlek och tjocklek. Dessutom kunde de samordna formationer som förbättrade specifika uppgifter såsom framdrivning eller sortering.

Rensningsresultat

Den täta svärmen fångade 80 % av bakterierna och mikroplastföroreningarna vid sitt första körning. Noterbart förblev de insamlade föroreningarna fästa vid mikrobotarna efter deras extraktion från vattnet. Ultraljudsvågor applicerades sedan på mikrobotarna i en lösning som gjorde det möjligt för dem att säkert frigöra mikroplasterna och bakterierna i en kontrollerad enhet.
Avsaneringsprocessen inkluderade ett ultraljudsbad för att döda bakterier innan de genomgick ultraviolett behandling. Tillsammans eliminerade dessa steg 99 % av bakterierna från robotarna, vilket gjorde dem säkra för återanvändning igen. På så sätt innebär detta rengöringsregim att robotarna är återanvändbara med endast en liten försämring i resultat.

Forskare

Forskningsteamet bakom detta projekt leddes av Martin Pumera. Som en del av deras strategi var teamet tvunget att skapa nya metoder för tillverkning, rörelsesanalys och tillämpning. Deras forskning bevisade deras tes och öppnade dörren för mer komplexa processer och funktioner i framtiden.

Potentiella användningsområden

Det finns ett starkt behov av återanvändbara vattenfiltreringssystem som ger konsekventa resultat. Att få tillgång till, filtrera och leverera rent vatten har blivit en viktig del av livet. Här är några potentiella användningsscenarier för mikrorobotsfiltreringssystem i framtiden.

Vattenbehandling

Små maskiner är idealiska för att rengöra vattensystem. De kan introduceras med minimal ansträngning och samlas enkelt in. Noterbart saknar de nuvarande vattenreningssystemen den nödvändiga prestandan och förlitar sig på ohållbara mekaniska eller kemiska system. På så sätt lämnar mikrobotar inget restmaterial, vilket gör dem till ett bättre alternativ.

Havsrengöring

Ett milbrett flytande skrästillhållning existerar i mitten av havet och fortsätter att expandera. Denna fruktansvärda ekologiska situation är en av många som plastavfall har orsakat. Mikroplaster från dessa platser fortsätter att skada miljön, vilket i sin tur leder till hälsorisker.

Mikrorobotiska rengöringslösningar kan introduceras i dessa farliga områden och påbörja rengöringsprocessen utan mänsklig inblandning. Dessutom kan dessa system skalas för att möta framtida behov och kombineras med andra teknologier som plastätande mikrober som eliminerar avfallet efter att det har samlats in.

Hälsovård

Mikrobotar kan hjälpa till att skapa lågt kostnadsdrabbade läkemedel och andra livräddande system. På kort sikt kan dessa enheter hjälpa till att tillhandahålla rena vattenlösningar när de behövs. Dessa robotar kan snart bli vanliga på sjukhus, där de kan användas som ett extra filtreringssystem för att säkerställa högre kvalitet på resultaten.

Det kan också bli ett inflöde av startups som utnyttjar denna teknik för att driva marknaden för hemvattenrening. Vattenkvalitet är en global fråga, och denna teknik erbjuder en av de renaste tillgängliga lösningarna.

Byggande och tillverkning

Magnetiskt styrda robotar kan i framtiden användas för att skapa starkare byggnader och produkter. Till exempel kan dessa enheter hjälpa en fordonspanel att återgå till ett förinställt tillstånd när magnetisk kraft appliceras. På så sätt kan de en dag användas för att hålla ihop högspänningsområden på jetplan, raketer, båtar, bilar och till och med skyskrapor.

Fördelar med att använda mikrobotar

Mikrobotar ger många fördelar. För det första kan de enkelt tillverkas, distribueras, hanteras och samlas in. Dessa enheter kan också integrera sensorer, vilket ger värdefull data som kan användas för att avsevärt förbättra anti‑föroreningsinsatser.

Återanvändbara mikrobotar

En av de största genombrotten i denna forskning är möjligheten att återanvända robotarna. Det finns en liten prestandaförlust vid varje cykel. Dock är detta en liten förlust som svärmbeteendet hjälper till att kompensera. Dessutom innebär de låga driftskostnaderna att vem som helst en dag kan skapa enorma svärmar som förbättrar effektiviteten över branscher.

Kontrollerad frisättning

En annan stor fördel med denna utveckling är möjligheten att genomföra en kontrollerad frisättning av toxinerna. Det har varit notorisk svårt att hitta sätt att rengöra vattenmiljöer och filtrera farligt material utan att lämna kemiska rester. Denna metod eliminerar kemikalier från ekvationen, vilket gör den mycket säkrare och mer hållbar.

Magnetisk energi

Användningen av magnetisk energi för att organisera och driva dessa små robotar ger ytterligare en fördel. Magnetiska interaktioner kräver inte att robotarna har batterier. På så sätt minskade ingenjörerna storlek, vikt och andra faktorer.

Företag som kan dra nytta av dessa utvecklingar

Många industrier kan dra nytta av vattenrenande mikrobotar. Miljön behöver lösningar för att avlägsna mikroplaster. Dessutom kan hälso‑ och reningstjänster utnyttja denna teknik för att förbättra sina erbjudanden. Här är några företag med potential att vinna på dessa framsteg i framtiden.

Ginkgo Bioworks Holdings, Inc.

DNA Prisdiagram

Ginkgo Bioworks (DNA ) Inc. är ett bioteknikföretag som specialiserar sig på organiska lösningar. Företaget erbjuder hjälpsamma industriella biotekniktjänster som minskar kostnader och förbättrar effektiviteten. Noterbart skapades företaget av fem MIT‑examinerade och har för närvarande Jason Kelly som VD. Idag är Ginkgo Bioworks Holdings ett framstående namn på marknaden.

Ginkgo Bioworks har sett betydande tillväxt. År 2022 förvärvade de Bayer’s Biologics Research & Development‑anläggning och inledde ett strategiskt partnerskap. Företagets aktier har sett en liten värdeminskning under det senaste året i förhållande till resten av marknaden. Trots detta gör Ginkgo Bioworks Holdings marknadsposition och avancerade proprietära lösningar dem till ett starkt tillskott i vilken portfölj som helst.

Imina Technologies S.A.

Imina Technologies specialiserar sig på robotplattformar. Forsknings‑ och tillverkningsföretaget har flera produkter som möjliggör mikro‑ och nanoskaliga interaktioner. Deras främsta produkt, miBot, är världens mest kompakta robot med fyra frihetsgrader som finns kommersiellt tillgänglig.

Den obundna designen av roboten gör den idealisk för att fritt skanna mikroskopiska ytor. Robotens kan naturligt anpassa sig till en förändrande miljö. Dessutom använder den magnetiska linser för att producera högupplösta bilder som kan användas i flera tillämpningar. Denna robot kan en dag användas för att övervaka mikrorobotarnas framsteg och mer.

Framtiden för mikrobotar

Framtiden för mikrorobotik ser ljus ut, med AI och andra teknologier som spelar en allt större roll och driver innovation. I framtiden kommer nano‑ och mikrorobotik att bli en del av vardagen. Dessa små arbetare kan utföra uppgifter som säkerhetsskanningar, reparation, underhåll och mer.

Nanotekniken är på uppgång och introduktionen av självförsörjande enheter har öppnat dörren för nya användningsområden. Det finns minirobotar som drivs av statisk elektricitet eller andra lättillgängliga alternativ idag. Dessa utvecklingar gör det möjligt att använda mikrobotar för att bekämpa bakterier på nya och fördelaktiga platser. Således är mikrorobotik ett område att hålla ögonen på.

Mikrobotar kan rädda liv

Denna utveckling har potential att rädda miljontals liv i och utanför havet under de kommande åren. Lösningen på föroreningar är inte ett enkelt svar. Istället måste världen se på alla tillgängliga alternativ och kombinera de som är meningsfulla. Mikrorobotiska vattenreningssystem erbjuder unika fördelar som gör dem värda att utforska.

Att kombinera dessa insatser med hållbar energi och minska föroreningar är nyckeln till framgång. Tillsammans kan detta mångfacetterade tillvägagångssätt vara det som behövs för att vända klockan på föroreningar. För närvarande arbetar forskarna dygnet runt för att hitta lösningar.

En renare ocean är bättre för alla

Att använda mikrobotar för att bekämpa föroreningar på nanoskal är logiskt av flera skäl. För det första är de rätt dimensionerade för att utföra jobbet. Dessa mikroskopiska enheter kan göra mycket när de arbetar i svärmar, och när de kombineras med annan teknik, som AI, blockchain och IoT, blir resultaten lätt spårbara över hela världen. Av dessa och många fler skäl har detta projekt stor potential.

Läs om andra spännande miljöprojekt här