マイクロアプリケーション向けの表面力の調整に基づいた電気化学グリッパー

Scientific Reports volume 13、記事番号: 7885 (2023) この記事を引用

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ロボット操作への既存のアプローチは、多くの場合、油圧および空気圧装置やグリッパーなどの外部機械装置に依存しています。どちらのタイプのデバイスも、マイクロロボットに適応できるのは困難ですが、ナノロボットにはすべて適応できるわけではありません。ここでは、グリッパーによって外力を加えるのではなく、作用する表面力自体を調整することに基づいた、根本的に異なるアプローチを紹介します。力の調整は、電極の拡散層の電気化学的制御によって実現されます。このような電気化学グリッパーは原子間力顕微鏡に直接組み込むことができ、巨視的なロボット工学で一般的に使用される「ピックアンドプレイス」手順が可能になります。関係する電位が低いため、小型自律ロボットにはこれらの電気化学グリッパーを装備することもでき、これはソフトロボット工学やナノロボット工学で特に役立ちます。さらに、これらのグリッパーには可動部品がないため、アクチュエーターの新しいコンセプトに組み込むことができます。この概念は簡単にスケールダウンして、コロイド、タンパク質、高分子などの幅広いオブジェクトに適用できます。

ロボット工学は 21 世紀の鍵となるテクノロジーです。現在、ロボットはメートルから数マイクロメートルまでの長さスケールで物体を扱います。ロボットによるアプローチによって日常的にアクセスできる長さスケールを減らすことは、ナノテクノロジーと医学にとって非常に重要です。これらの手段に対して、過去数年間、さまざまなマイクロロボットおよびナノロボットのアプローチが追求されてきました。コロイド領域、つまり数マイクロメートル以下に到達すると、表面力はロボット工学にとってますます重要になり始め、巨視的な世界の確立された概念はもはや適用できなくなります1、2、3、4、5、6、7、 8. 特に、「ピックアンドプレイス」のプロセス、つまり、物体を掴み、持ち上げ、その後定義された位置で放すという複雑なプロセスは、実装がますます困難になってきています9,10。遍在するファンデルワールス引力 (vdW) と毛管力 1,11 により、小さな物体は表面に不可逆的に付着します。したがって、巨視的なロボット工学に一般的なツールであるグリッパー（図 1a、b 参照）は、特別に設計された表面修飾が装備されている場合でも、短い長さでは機能が大幅に制限されます 11、12、13。原理的にはグリッパーのさらなる小型化を可能にする新しいアクチュエータシステムの開発における最近の進歩14、15にもかかわらず、表面力によって課せられる物理的制限は依然として残るでしょう。巨視的な世界からツールを最適化するのではなく、表面力自体の操作に依存する新しいアプローチの導入は、ロボット操作プロセスをマイクロおよびナノメートルの低いスケールに拡張するための重要なステップとなります。これにより、コロイド粒子や高分子を扱うための「ピックアンドプレイス」などの確立された操作プロセスを保存することが可能になります。

マクロからナノスケールまでのロボット操作原理。 (a) 「クラシック」デザインの巨視的 6 軸ロボット。 (b) 巨視的ロボット用のグリッパーアタッチメントと (c) 吸引キャップ。 (d) 顕微操作用の類似のロボットプラットフォーム (ここでは走査型電子顕微鏡、SEM と組み合わせたもの)。 (e) コロイド粒子の取り扱いを可能にする、前述のマイクロマニピュレーションプラットフォーム用のグリッパー。 (f) 原子間力顕微鏡 (AFM) と組み合わせることができる吸盤に相当します。挿入図は、ナノ流体コントローラーに直接接続できる直径 2 μm の開口部を備えたマイクロ流体中空 AFM カンチレバーを示しています。 (g) SEM におけるハエの目と比較した AFM カンチレバーの先端。 (h) AFM によってせん断力を加えて粒子をサンプル上の規定の場所に移動させることによるナノマニピュレーションの例。 (i) 「ピック」、「配置」、および「リリース」の単一操作ステップがそれぞれ人間の手によって巨視的スケールで示されています。 (j) 「ピック」と「配置」の概念をコロイド領域以降に拡張します。機械的な圧力を加えるのではなく、相互作用の力が外部から調整されます。緑色は引力相互作用 (つまり、「グリップ」に相当) を示し、赤色は反発相互作用 (つまり、「リリース」に相当) を示します。

+ 136 mV, the adhesion force increased monotonically with increasing the applied potential. Thus, the adhesion force between the particle and the electrode on the gripper becomes larger than the ones between the particle and the substrate. Therefore, these potentials allow for ‘gripping’ or ‘picking’ a particle from the substrate as the particle will ‘stick’ to the gripper. The transition coincides with the potential of zero charge (pzc), where the electrode is practically uncharged and the long-range forces are minimal41,64. For external potentials smaller than the pzc, the diffuse layer interaction is repulsive as particle and electrode are likewise charged. For potentials above the pzc the electrode is reversing its charge to positive. In consequence the long-range forces upon approach are becoming attractive and the adhesion forces are monotonically increasing with increasing the applied potentials. A similar adhesion behavior has been reported previously for studies on flat electrodes with an analogous surface modification41. However, a direct comparison of the pzc for the electrodes prepared by FIB and flat electrodes is not possible as the different crystal surfaces of the former are leading to a shift of the pzc65,66. In particular, for surfaces subject to a FIB-treatment, this effect is highly pronounced and leads to an increased roughness67. A more detailed comparison between the two types of electrodes is given in the SI (cf. Supplementary Fig. 7). The data in Fig. 4f can be divided into a region where the external potentials are leading to a repulsive behavior and thus the ‘placing’ of a particle and a region of potential that corresponds to attractive interaction forces and thus a ‘gripping’ of particles from a substrate./p> 30) has been attributed. However, for the slightly hydrophobic silane-modified substrate (θ = 77°, cf. Fig. 4f) a success rate of about ξ = 0.2 (n=45) for successful picking of the particles from the substrate has been observed by optical microscopy. The corresponding sequence is shown in Fig. 5a. Thus, even on hydrophobic substrates, gripping of particles is possible, despite a more unfavorable partition of forces due to solvent exclusion and to diffuse layer overlap./p> 18 mΩ cm−1, Merck Millipore, Darmstadt, Germany). Ionic strength and pH of the solutions were adjusted to pH 4 and ionic strength of 0.1 mM using 1 M HCl (Titrisol, Merck, Darmstadt, Germany). All solutions were degassed for at least 60 min before the experiments and filtered using a syringe filter with a pore size of 0.22 µm (Rotilabo, Carl Roth, Karlsruhe, Germany). Methoxy(dimethyl)octylsilane, ferrocyanide, ferricyanide, 11-mercapto-1-undecanol, chloroform, potassium nitrate were purchased from Sigma Aldrich. Hellmanex III was purchased from Hellma (Mühlheim, Germany). Silver wires insulated with polyimide and a diameter of 0.125 mm were purchased from Advent (Advent research materials, Oxford, England). Ethanol of HPLC grade was purchased from Carl Roth (Carl Roth, Karlsruhe, Germany)./p>

3.0.CO;2-G" data-track-action="article reference" href="https://doi.org/10.1002%2F1521-4117%28200207%2919%3A3%3C129%3A%3AAID-PPSC129%3E3.0.CO%3B2-G" aria-label="Article reference 45" data-doi="10.1002/1521-4117(200207)19:33.0.CO;2-G"Article CAS Google Scholar /p>