Wykorzystanie mikrobotów do utrzymania czystości oceanu

Naukowcy odkryli skuteczny sposób na utrzymanie czystości wód na świecie. „The Puzzle of Monogamous Marriage” Artykuł opublikowany w tym tygodniu w czasopiśmie ACS Nano wyjaśnia, jak mikroboty mogą zmniejszyć zanieczyszczenie plastikiem w środowisku wodnym. Te urządzenia zasilane magnetycznie oferują zrównoważoną i wielokrotnego użytku alternatywę dla rynku. Oto wszystko, co musisz wiedzieć o tym, jak naukowcy chcą wykorzystać maleńkie roboty do walki z zanieczyszczeniem.

Mikroplastik przyczyną problemów

Mikroplastik to poważny problem świata. Te maleńkie cząstki tworzą się z czasem w wyniku rozkładu produktów z tworzyw sztucznych. Mikroplastiki mają wielkość -5 mikrometrów, co sprawia, że ​​bardzo trudno je zebrać ze środowiska wodnego. Niestety te maleńkie cząsteczki plastiku, jeśli pozostaną nietknięte, stanowią zagrożenie dla środowiska i zdrowia.

Łańcuchy pokarmowe

Jednym z głównych problemów związanych z mikroplastikiem jest to, że są spożywane przez ryby i inne organizmy morskie. Cząsteczki te zostają zjadane, co wprowadza mikroplastik do łańcucha pokarmowego. Niestety cykl się nie kończy; nawet po przedostaniu się mikroplastiku do spożycia przez ludzi, wracają do środowiska.

Próbki kału potwierdziły, że mikroplastik zanieczyścił środowisko do tego stopnia, że ​​stał się częścią twojego ciała. „The Puzzle of Monogamous Marriage” odkryli, że przeciętny człowiek zjada 50 tys. cząstek plastiku rocznie. Obecnie te szkodliwe cząstki można znaleźć w niemal każdym aspekcie życia, dlatego niezwykle istotne jest wdrożenie systemów redukcji.

Bakteria

Mikroplastiki szkodzą rozwojowi mózgu i powodują inne choroby. Te maleńkie cząsteczki plastiku przyciągają problematyczny rozwój glonów i bakterii. Gatunki te tworzą patogeny i powodują choroby, jeśli są spożywane lub wdychane przez dłuższy czas. W szczególności badania powiązały choroby układu oddechowego i sercowo-naczyniowego z mikroplastikami w powietrzu, glebie i wodzie. W związku z tym istnieje silna potrzeba ograniczenia ich wpływu na środowisko i zdrowie.

Mikroboty

Mikroboty to małe maszyny, które często zawierają jeden ruchomy element, który można aktywować za pomocą sił elektrycznych, chemicznych lub magnetycznych. Istnieje wiele zastosowań tych małych robotów, od opieki zdrowotnej po bezpieczeństwo. W tym przypadku badacze starali się stworzyć napędzany magnetycznie i kontrolowany rój, który można by kontrolować w oparciu o prąd.

Źródło – ACS NANO

Ich dziełem był 2.8-mikrometrowy, sterowany magnetycznie mikrobot. Z korpusów mikrobota wystają polimerowe pasma sekwestrantowe z dodatnio naładowanymi cząsteczkami magnetycznymi. Taka struktura umożliwia zbieranie i sterowanie ramionami i robotami za pomocą magnesów. W szczególności naukowcy wykorzystali kulki Dynabeads modyfikowane aminą, funkcjonalizowane ligandem zawierającym grupy karboksylowe, poli(N-[3-(dimetyloamino)propylo]metakryloamidem).

Roje zwiększają wydajność

Niewielkie rozmiary tych botów sprawiają, że są one nieskuteczne w samodzielnym wykonywaniu większości zadań. Systemy te wykorzystują jednak roje do efektywnego wykonywania złożonych zadań. Podobnie jak natura, roje zwiększają wydajność i gwarantują, że pojedynczy punkt awarii nie uniemożliwi wykonania niezbędnych zadań. W związku z tym, mikroboty są kolejnym przykładem naśladowania natury przez człowieka.

W tym przypadku pasma magnetyczne mogą się organizować po przyłożeniu pola magnetycznego. Po połączeniu pole magnetyczne można wykorzystać do koordynowania ruchów roju jako jednej spójnej jednostki. Ten ruch może zbierać mikroplastiki i bakterie bez pozostawiania dodatkowych odpadów.

Eksperymenty i testy

Naukowcy rozpoczęli testowanie sterowanych magnetycznie rojów polimerowych mikrorobotów do zadań oczyszczania wody, aby ocenić ich skuteczność i niezawodność. Odkryli, że te maleńkie maszyny, samoorganizujące się w obracające się płaszczyzny, usuwały znaczną ilość zanieczyszczeń z wody przy minimalnym zapotrzebowaniu na energię.

Testy rozpoczęły się od stworzenia sztucznie zanieczyszczonego środowiska. Naukowcy osiągnęli to zadanie, wprowadzając do wody testowej maleńkie fluorescencyjne kulki polistyrenu o szerokości 1 mikrometra. Następnie naukowcy wprowadzili do równania bakterie. Wykorzystali pospolitą bakterię wywołującą zapalenie płuc, zwaną Pseudomonas aeruginosa, zapewniając przykład z życia wziętego.

Dodanie mikrobotów

Mikroboty dodano do środowiska testowego i do grupy przyłożono pole magnetyczne. Warto zauważyć, że pole magnetyczne obracało się przez 30 minut. Dodatkowo był wyłączany co 10 sekund. Pole spowodowało, że mikroboty skoncentrowały się do poziomu 7.5 miligrama na milimetr, co okazało się idealne do zadań porządkowych.

Kontrolowanie roju mikrobotów

Naukowcy odkryli, że uzyskali znaczną kontrolę nad urządzeniami dzięki wzmocnieniom magnetycznym. Dostosowali kierunek, prędkość, rozmiar i grubość roju. Ponadto byli w stanie koordynować formacje, które wspomagały określone zadania, takie jak napęd czy sortowanie.

Oczyść wyniki

Gęsty rój wyłapał 80% bakterii i zanieczyszczeń mikroplastycznych już podczas pierwszego uruchomienia. Warto zauważyć, że zebrane zanieczyszczenia pozostały przyczepione do mikrobotów po ich ekstrakcji z wody. Następnie do mikrobotów zastosowano fale ultradźwiękowe w roztworze, który umożliwił im bezpieczne uwolnienie mikroplastiku i bakterii z zamkniętej jednostki.

Proces odkażania obejmował kąpiel ultradźwiękową mającą na celu zabicie bakterii przed poddaniem działaniu promieni ultrafioletowych. Łącznie te kroki wyeliminowały 99% bakterii z robotów, dzięki czemu można je ponownie bezpiecznie wykorzystać. Co istotne, ten sposób czyszczenia oznacza, że ​​boty nadają się do ponownego użycia, przy jedynie niewielkim pogorszeniu wyników.

Badacze

Zespołem badawczym stojącym za tym projektem kierował Martin Pumera. W ramach swojej strategii zespół musiał stworzyć nowe metody wytwarzania, analizy ruchu i zastosowań. Ich badania potwierdziły tę tezę i otworzyły drzwi dla bardziej złożonych procesów i funkcjonalności w przyszłości.

Potencjalne przypadki użycia

Istnieje duże zapotrzebowanie na systemy filtracji wody wielokrotnego użytku, które zapewniają spójne wyniki. Dostęp, filtrowanie i dostarczanie czystej wody stało się istotnym aspektem życia. Oto kilka potencjalnych scenariuszy przypadków użycia systemów filtracji mikrorobotów w przyszłości.

Uzdatnianie wody

Małe maszyny idealnie nadają się do czyszczenia systemów wodnych. Można je wprowadzić przy minimalnym wysiłku i łatwo zebrać. Warto zauważyć, że obecne systemy oczyszczania wody nie mają niezbędnej wydajności i opierają się na niezrównoważonych systemach mechanicznych lub chemicznych. Co istotne, mikroboty nie pozostawiają śladów, co czyni je lepszą opcją.

Oczyszczanie oceanu

Na środku oceanu znajduje się szeroka na kilometry wyspa pływających śmieci, która stale się rozszerza. Ta okropna sytuacja ekologiczna jest jedną z wielu, które spowodowały odpady z tworzyw sztucznych. Mikroplastik z tych lokalizacji w dalszym ciągu szkodzi środowisku, co z kolei powoduje ryzyko dla zdrowia.

Źródło – AP:J. Lavers

Do tych niebezpiecznych obszarów można wprowadzić mikrorobotyczne rozwiązania czyszczące, które umożliwią rozpoczęcie procesu czyszczenia bez interwencji człowieka. Ponadto systemy te można skalować w celu zaspokojenia przyszłych potrzeb i łączyć z innymi technologiami, takimi jak drobnoustroje zjadające plastik, które eliminują odpady po ich zebraniu.

Zdrowie

Mikroboty mogą pomóc w tworzeniu tanich leków i innych systemów ratujących życie. W perspektywie krótkoterminowej urządzenia te mogą w razie potrzeby pomóc w zapewnieniu rozwiązań w zakresie czystej wody. Boty te mogą wkrótce stać się powszechne w szpitalach, gdzie można je wykorzystać jako dodatkowy system filtracji zapewniający wyższą jakość wyników.

Może również nastąpić napływ start-upów, które wykorzystają tę technologię do napędzania rynków domowego oczyszczania wody. Jakość wody jest problemem globalnym, a ta technologia oferuje jedno z najczystszych dostępnych rozwiązań.

Budowa i produkcja

W przyszłości roboty sterowane magnetycznie będą mogły zostać wykorzystane do tworzenia silniejszych budynków i produktów. Urządzenia te mogą na przykład pomóc panelowi pojazdu powrócić do wcześniej ustawionego stanu po przyłożeniu siły magnetycznej. W związku z tym pewnego dnia będą mogły zostać wykorzystane do łączenia obszarów wysokiego napięcia w odrzutowcach, rakietach, łodziach, samochodach, a nawet drapaczach chmur.

Korzyści ze stosowania mikrobotów

Mikroboty wnoszą do tego równania wiele korzyści. Po pierwsze, można je łatwo wyprodukować, wdrożyć, zarządzać i gromadzić. Urządzenia te mogą również integrować czujniki, które pomagają w dostarczaniu cennych danych, które można wykorzystać do znacznego zwiększenia wysiłków na rzecz przeciwdziałania zanieczyszczeniom.

Mikroboty wielokrotnego użytku

Jednym z największych przełomów w tych badaniach jest możliwość ponownego wykorzystania botów. W każdym cyklu następuje niewielka utrata wydajności. Jest to jednak niewielka strata w wydajności, którą zachowanie roju pomaga zrekompensować. Ponadto niskie koszty operacyjne oznaczają, że pewnego dnia każdy będzie mógł stworzyć ogromne roje, które poprawią wydajność w różnych branżach.

Zwolnienie kontroli

Kolejną ogromną zaletą tego rozwiązania jest możliwość kontrolowanego uwalniania toksyn. Opracowanie metod oczyszczania środowiska wodnego i filtrowania niebezpiecznych substancji bez pozostawiania śladów chemicznych było niezwykle trudne. Ta metoda eliminuje chemikalia z równania, czyniąc ją znacznie bezpieczniejszą i bardziej zrównoważoną.

Energia magnetyczna

Wykorzystanie energii magnetycznej do organizowania i obsługi tych maleńkich robotów dodaje do równania kolejną warstwę korzyści. Interakcje magnetyczne nie wymagają od botów posiadania baterii. W związku z tym inżynierowie zmniejszyli rozmiar, wagę i inne czynniki.

Firmy, które mogłyby skorzystać na tych zmianach

Wiele gałęzi przemysłu mogłoby odnieść korzyści z zastosowania mikrobotów czyszczących wodę. Środowisko potrzebuje rozwiązań w zakresie usuwania mikroplastiku. Ponadto usługi związane z opieką zdrowotną i oczyszczaniem mogą wykorzystać tę technologię do ulepszenia swojej oferty. Oto kilka firm, które mogą w przyszłości zyskać na tych udoskonaleniach.

Ginkgo Bioworks Holdings, Inc.

(DNA )

Ginkgo Bioworks Inc. to firma biotechnologiczna specjalizująca się w rozwiązaniach organicznych. Firma oferuje przydatne usługi z zakresu biotechnologii przemysłowej, które obniżają koszty i poprawiają wydajność. Warto zauważyć, że firmę założyło 5 absolwentów MIT, a obecnie jej dyrektorem generalnym jest Jason Kelly. Dziś Ginkgo Bioworks Holdings jest znaczącą marką na rynku.

Ginkgo Bioworks odnotowało znaczny wzrost. W 2022 roku przejęło ośrodek badawczo-rozwojowy Bayer Biologics i nawiązało strategiczne partnerstwo. Wartość akcji spółki nieznacznie spadła w ciągu ostatniego roku, podobnie jak reszty rynku. Jednak pozycja rynkowa i zaawansowane, autorskie rozwiązania Ginkgo Bioworks Holdings sprawiają, że jest to solidne uzupełnienie każdego portfela.

Imina Technologies SA

Imina Technologies specjalizuje się w platformach robotycznych. Ta firma badawczo-produkcyjna oferuje wiele produktów umożliwiających interakcje w skali mikro i nano. Jej flagowy produkt, miBot, to najbardziej kompaktowy na świecie robot o 4 stopniach swobody dostępny na rynku.

Swobodna konstrukcja robota sprawia, że ​​idealnie nadaje się do swobodnego skanowania mikroskopijnych powierzchni. Robot w naturalny sposób potrafi dostosować się do zmieniającego się otoczenia. Dodatkowo wykorzystuje soczewki magnetyczne do tworzenia obrazów o wysokiej rozdzielczości, które można wykorzystać w wielu zastosowaniach. Tego bota można pewnego dnia wykorzystać do monitorowania postępu mikrorobota i nie tylko.

Przyszłość mikrobotów

Przyszłość mikrorobotyki rysuje się w jasnych barwach, a sztuczna inteligencja i inne technologie odgrywają coraz większą rolę i napędzają innowacje. W przyszłości nano i mikrorobotyka staną się częścią życia codziennego. Ci mali pracownicy mogliby wykonywać takie zadania, jak skanowanie bezpieczeństwa, naprawy, konserwacja i inne.

Nanotech zyskuje na popularności, a wprowadzenie urządzeń z własnym zasilaniem otworzyło drzwi do nowych zastosowań. Obecnie istnieją miniroboty, które samodzielnie zasilają się z elektryczności statycznej lub innych łatwo dostępnych opcji. Dzięki tym udoskonaleniom możliwe jest wykorzystanie mikrobotów do walki z bakteriami w nowych, korzystnych lokalizacjach. Dlatego warto obserwować pole mikrorobotów.

Mikroboty mogą ratować życie

Rozwój ten może w nadchodzących latach uratować miliony istnień ludzkich w oceanach i poza nimi. Rozwiązanie problemu zanieczyszczeń nie jest prostą reakcją. Zamiast tego świat musi przyjrzeć się wszystkim dostępnym opcjom i połączyć te, które mają sens. Mikrorobotyczne systemy oczyszczania wody oferują wyjątkowe korzyści, które sprawiają, że warto je poznać.

Połączenie tych wysiłków ze zrównoważoną energią i redukcją zanieczyszczeń jest kluczem do sukcesu. Łącznie to wieloaspektowe podejście może okazać się tym, czego potrzeba, aby cofnąć czas w walce z zanieczyszczeniami. Na razie badacze pracują całą dobę, szukając rozwiązań.

Czystszy ocean jest lepszy dla wszystkich

Używanie mikrobotów do zwalczania zanieczyszczeń w nanoskali ma sens z wielu powodów. Po pierwsze, są one odpowiednio dobrane, aby spełnić swoje zadanie. Te mikroskopijne jednostki mogą wiele zdziałać podczas pracy w rojach, a w połączeniu z innymi technologiami, takimi jak sztuczna inteligencja, blockchain i IoT, wyniki można łatwo śledzić na całym świecie. Z tych i wielu innych powodów ten projekt ma ogromny potencjał.

Dowiedz się o innych ciekawych projektach środowiskowych w tym miejscu