Resumo:
Cientistas desenvolveram microrrobôs inovadores que operam no limite de difração da luz, combinando nanoímãs programáveis, painéis rígidos e dobradiças ultraflexíveis. Esses robôs se movem usando campos magnéticos, imitando o movimento de uma lagarta e podendo mudar de direção. Além da locomoção, eles também ajustam redes ópticas para manipular a luz, sendo úteis em áreas como microscopia, sensores e imagem médica.
Recentemente, pesquisadores desenvolveram um microrrobô inovador capaz de se mover de maneira controlada utilizando campos magnéticos. Ele é tão pequeno que opera no "limite de difração", ou seja, na escala das ondas de luz visível, o que o torna útil para aplicações ópticas avançadas. Vamos explorar como isso funciona.
Primeiramente, a equipe fabricou minúsculos ímãs de cobalto chamados nanoímãs, que têm cerca de 100 nanômetros (um nanômetro é um bilionésimo de um metro).
Esses ímãs têm um formato especial e são organizados em matrizes, o que significa que estão dispostos em padrões específicos. Cada nanoímã funciona como um dipolo magnético, ou seja, tem um "norte" e um "sul", que se alinham ao longo do seu comprimento.
Esse alinhamento é determinado pela forma dos ímãs, e quanto mais longo for o ímã em relação à sua largura, mais forte será o campo magnético necessário para mudá-lo.
Esses nanoímãs são montados em pequenos painéis de vidro rígido. Para conectar esses painéis, os pesquisadores usaram dobradiças feitas com uma técnica especial chamada deposição de camada atômica (ALD), que permite criar dobradiças extremamente finas e flexíveis.
Figura 1: (A) Imagem de Microscopia Eletrônica de Varredura (SEM) do microbot magnético. (inserção superior direita) Matrizes de nanomagnetos com baixa/alta proporção de aspecto (AR) usadas para programar o microbot. (inserção inferior direita) Magnetização final do microbot (ampliação inferior esquerda). Imagem SEM em cores falsas da dobradiça de deposição de camada atômica (ALD).
Essas dobradiças são ao mesmo tempo resistentes o suficiente para manter o microrrobô inteiro, mas também flexíveis para dobrar quando submetidas a torques magnéticos. Isso possibilita que o robô se mova e se transforme.
O movimento do microrrobô é baseado em conceitos simples, inspirados em dobraduras de papel de origami, como o padrão montanha-vale. Ao aplicar um campo magnético externo, os painéis de vidro se dobram, criando uma movimentação básica.
Para fazer o robô rastejar como uma lagarta, os cientistas usaram campos magnéticos sinusoidais (que variam em ondas suaves) aplicados em ângulos diferentes. Isso faz com que o corpo do robô se estique e contraia alternadamente, empurrando-o para frente.
Esse movimento gradual, mostrado na Figura 2A, permite que o robô avance cerca de metade do seu comprimento em cada passo. A velocidade do movimento pode ser ajustada simplesmente alterando a frequência dos campos magnéticos.
Além de rastejar, o microrrobô também pode girar e mudar de direção, como mostrado na Figura 2C, ajustando os campos magnéticos aplicados. Isso o torna altamente versátil para navegar em diferentes superfícies.
Figura 2: (A) Movimento de passo do microrrobô magnético controlado por torque magnético externo sinusoidal. (B-C) Locomoção semelhante a uma lagarta com uma combinação de campo magnético sinusoidal no eixo z (1 Hz) e no eixo x fora de fase em 90 graus. (C) Locomoção de giro controlada.
Os pesquisadores ampliaram a ideia básica de dobra montanha-vale para criar redes de difração ajustáveis magneticamente. Redes de difração são estruturas que dispersam luz em padrões específicos, úteis em diversas aplicações ópticas.
Na Figura 3A, por exemplo, uma grade de difração foi criada usando os painéis rígidos conectados pelas dobradiças flexíveis. Quando um campo magnético externo é aplicado, as dobradiças dobram, e os painéis se movem, alterando o espaçamento das linhas na grade. Isso muda como a luz interage com a estrutura, um efeito visível nos padrões de difração observados.
Figura 3: (Acima, à esquerda) (A) Rede de difração com periodicidade ajustável magneticamente. (B) Esquema ilustrando a dobra montanha-vale da rede. (C) Imagem (à esquerda) e imagem de difração (à direita) da rede antes e depois da atuação.
Essa tecnologia pode ser aplicada a metamateriais ópticos — materiais que controlam a luz de maneiras inovadoras, com potencial em áreas como sensores, microscopia e imagem médica.
Os pesquisadores também criaram versões mais complexas desses robôs, como mostrado na Figura 4. Eles construíram uma estrutura de 50 micrômetros (um micrômetro é um milionésimo de metro) composta por 25 pequenos painéis conectados.
Figura 4: (Acima, à direita) (A) Micrografia de metamaterial óptico com estrutura magnética. (B) Direções programadas dos dipolos magnéticos. (C) Atuação do microrrobô com um campo magnético externo fora do plano, aumentando da esquerda para a direita. (D) Locomoção do microrrobô, incluindo uma mudança de direção de 90 graus.
Esses robôs podem se contrair e se mover usando o mesmo princípio de campos magnéticos. Além disso, podem realizar movimentos mais elaborados, como mudar de direção em ângulos de 90 graus.
Esses microrrobôs representam um avanço na ciência porque combinam propriedades mecânicas e ópticas em escalas extremamente pequenas. Eles podem ser usados para manipular luz de forma precisa, investigar o mundo microscópico e até atuar em aplicações médicas sofisticadas. Por exemplo, eles poderiam ser usados para criar elementos ópticos ajustáveis ou para realizar imagens de alta resolução em escalas submicroscópicas.
Além disso, os pesquisadores esperam expandir essa tecnologia para criar "metaátomos ópticos" — elementos ainda menores que podem manipular a luz de maneira ainda mais avançada. Isso abre caminho para novas possibilidades na ciência da luz, com implicações em espectroscopia, imagem médica e outras áreas.
LEIA MAIS:
Magnetically programmed diffractive robotics
CONRAD L. SMART, TANNER G. PEARSON, ZEXI LIANG, MELODY X. LIM, MOHAMED I. ABDELRAHMAN, FRANCESCO MONTICONE,
ITAI COHEN, AND PAUL L. MCEUEN
SCIENCE. 28 Nov 2024. Vol 386, Issue 6725. pp. 1031-1037
DOI: 10.1126/science.adr2177
Abstract:
Microscopic robots with features comparable with the wavelength of light offer new ways of probing the microscopic world and controlling light at the microscale. We introduce a new class of magnetically controlled microscopic robots (microbots) that operate at the visible-light diffraction limit, which we term diffractive robots. We combined nanometer-thick mechanical membranes, programmable nanomagnets, and diffractive optical elements to create untethered microbots small enough to diffract visible light and flexible enough to undergo complex reconfigurations in millitesla-scale magnetic fields. We demonstrated their applications, including subdiffractive imaging by using a variant of structured illumination microscopy, tunable diffractive optical elements for beam steering and focusing, and force sensing with piconewton sensitivity.
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