마이크로 응용 분야를 위한 표면력 조정을 기반으로 하는 전기화학 그리퍼

Jun 16, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 7885(2023) 이 기사 인용

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로봇 조작에 대한 기존 접근 방식은 유압 및 공압 장치 또는 그리퍼와 같은 외부 기계 장치에 의존하는 경우가 많습니다. 두 가지 유형의 장치 모두 어려움이 있는 마이크로 로봇에만 적용할 수 있으며 나노 로봇에는 모두 적용할 수 없습니다. 여기서는 그리퍼로 외부 힘을 가하는 대신 작용하는 표면력 자체를 조정하는 근본적으로 다른 접근 방식을 제시합니다. 힘의 조정은 전극 확산층의 전기화학적 제어를 통해 이루어집니다. 이러한 전기화학적 그리퍼는 원자력 현미경에 직접 통합될 수 있어 거시적 로봇 공학에서 일반적으로 사용되는 '픽 앤 플레이스' 절차가 가능합니다. 관련된 낮은 전위로 인해 소형 자율 로봇에는 소프트 로봇공학과 나노로봇공학에 특히 유용한 이러한 전기화학적 그리퍼를 장착할 수도 있습니다. 또한 이러한 그리퍼에는 움직이는 부품이 없으며 액추에이터에 대한 새로운 개념에 통합될 수 있습니다. 이 개념은 쉽게 축소되어 콜로이드, 단백질, 거대분자와 같은 광범위한 물체에 적용될 수 있습니다.

로봇공학은 21세기의 핵심기술이다. 현재 로봇은 미터에서 수 마이크로미터에 이르는 길이의 물체를 처리합니다. 로봇 접근 방식으로 일상적으로 접근할 수 있는 길이 척도를 줄이는 것은 나노기술과 의학에 매우 중요합니다. 이를 위해 지난 몇 년 동안 다양한 마이크로 및 나노 로봇 접근 방식이 추구되었습니다. 콜로이드 영역, 즉 몇 마이크로미터 이하의 영역에 도달하면 로봇 공학에서 표면력이 점점 더 중요해지기 시작하고 거시적 세계의 잘 확립된 개념은 더 이상 적용할 수 없습니다1,2,3,4,5,6,7, 8. 특히, '픽 앤 플레이스' 프로세스, 즉 정의된 위치에서 물체를 잡고, 집어 들고, 이후에 해제하는 복잡한 프로세스를 구현하기가 점점 더 어려워지고 있습니다9,10. 어디에나 존재하는 매력적인 반 데르 발스(vdW)와 모세관력1,11로 인해 작은 물체는 되돌릴 수 없게 표면에 부착됩니다. 따라서 거시적 로봇 공학에 일반적인 도구인 그리퍼(그림 1a,b 참조)는 특별히 설계된 표면 수정이 장착된 경우에도 작은 길이에서 기능이 심각하게 제한됩니다11,12,13. 원칙적으로 그리퍼의 소형화를 가능하게 하는 새로운 액추에이터 시스템14,15 개발의 최근 발전에도 불구하고 표면력에 의해 부과되는 물리적 한계는 그대로 유지됩니다. 거시적 세계의 도구를 최적화하기보다는 표면력 자체를 조작하는 데 의존하는 새로운 접근 방식의 도입은 로봇 조작 프로세스를 낮은 마이크로 및 나노미터 규모로 확장하는 중요한 단계를 나타냅니다. 따라서 콜로이드 입자 및 거대분자를 처리하기 위한 '픽 앤 플레이스'와 같은 확립된 조작 프로세스를 보존하는 것이 가능할 것입니다.

거시적 규모에서 나노 규모까지의 로봇 조작 원리. (a) '클래식' 디자인의 거시적 6축 로봇. (b) 거시적 로봇 및 (c) 흡입 캡에 대한 그리퍼 부착물입니다. (d) 미세 조작을 위한 유사한 로봇 플랫폼(여기서는 주사 전자 현미경, SEM과 결합). (e) 콜로이드 입자를 처리할 수 있는 앞서 언급한 미세 조작 플랫폼용 그리퍼. (f) 원자현미경(AFM)과 결합할 수 있는 흡입 컵과 동일합니다. 삽입된 그림은 나노유체 컨트롤러에 직접 연결될 수 있는 직경 2μm의 구멍을 가진 미세유체 중공 AFM 캔틸레버를 보여줍니다. (g) SEM에서 파리의 눈과 비교한 AFM 캔틸레버의 끝. (h) AFM에 의한 전단력을 적용하여 입자를 샘플의 정의된 위치로 이동시키는 나노 조작의 예. (i) '픽', '위치' 및 '릴리스'에 대한 단일 조작 단계는 각각 거시적 규모에서 인간의 손으로 설명됩니다. (j) '선택' 및 '위치' 개념을 콜로이드 영역 이상으로 확장: 기계적 압력을 가하는 대신 상호 작용력이 외부적으로 조정됩니다. 녹색은 매력적인 상호 작용(즉, '그립'과 동일)을 나타내고 빨간색은 반발적인 상호 작용(즉, '풀기'와 동일)을 나타냅니다.

+ 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>

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