Selbstfahrende Fahrzeuge im Mikrobereich

Anonim

(Phys.org) - In einer neuen Studie haben Wissenschaftler die mikroskopische Version von selbstfahrenden Fahrzeugen entwickelt: ein 5-μm-sphärischer Mikromotor, der autonom durch den Mikroverkehr entlang eines Mikrolabyrinths navigiert, um sein endgültiges Ziel zu erreichen. Die Forscher erwarten, dass diese "intelligenten Mikrofahrzeuge" potentielle Anwendungen in biomedizinischen Aufgaben haben, wie die Abgabe von Medikamenten an Tumorzellen, während gesunde Zellen vermieden werden.

Die Wissenschaftler, die von Longqiu Li am Harbin-Institut für Technologie in China und Joseph Wang an der Universität von Kalifornien in San Diego in den USA geleitet werden, haben in einer aktuellen Ausgabe von ACS Nano einen Artikel über intelligente Mikrofahrzeuge veröffentlicht.

"Wir haben künstliche Intelligenz in einen Mikro- / Nanoroboter eingebettet", sagte Li Phys.org. "Wir führen ein intelligentes Mikrofahrzeug für die präzise autonome Navigation in komplizierten und sich dynamisch verändernden Umgebungen durch optimale Wegplanung ein. Ähnlich wie bei ihren großen Fahrzeuggegenstücken führt die autonome Navigation von Mikrofahrzeugen zu kollisionsfreien Bewegungen in dynamischen Umgebungen."

Bislang sind Mikro- und Nanomaschinen auf die Navigation mit einem geschlossenen Regelungssystem beschränkt, bei dem sich die Maschinen nur auf einem vorgegebenen Weg bewegen können. Die neue Studie ist die erste Demonstration von Mikromaschinen, die autonom in komplexen, sich dynamisch verändernden Umgebungen navigieren können, z. B. mit anderen beweglichen Mikromaschinen.

Der autonome Navigationsprozess besteht aus drei Hauptschritten. Eine an ein Mikroskop angeschlossene CCD-Kamera nimmt Bilder auf und sendet sie an einen Feature-Extraction-Prozessor, der Hindernisse identifiziert und eine Karte der Umgebung erstellt. Die Karte wird dann als Eingabe an einen Artificial Intelligence (AI) -Planer gesendet, der einen Pfadsuchalgorithmus und einen Fuzzy-Logik-Ansatz verwendet, um den kürzesten kollisionsfreien Pfad zwischen mehreren möglichen Pfaden zu dem Ziel zu bestimmen. Der AI-Planer sendet diese Reiserichtungen dann an einen Magnetfeldgenerator, der ein Magnetfeld so ausrichtet, dass das Mikrofahrzeug entlang des kollisionsfreien Weges gelenkt wird.

Der KI-Planer, der das Herzstück des intelligenten Navigationssystems bildet, kann auch erkennen, wann das Mikrofahrzeug von seinem geplanten Weg abweicht, der aufgrund des Vorhandenseins von Lärm auftreten kann. In diesen Fällen kann der AI-Planer gleichzeitig den Fehler messen und das Mikrofahrzeug zurück auf den Pfad führen.

Eine der Hauptanwendungen dieses Typs von intelligenten Mikrofahrzeugen kann im biomedizinischen Bereich für Aufgaben wie Krankheitsdiagnostik, Arzneimittelabgabe und Präzisionsoperation liegen. Um zu demonstrieren, zeigten die Forscher, dass das Mikrofahrzeug die Kamera verwenden kann, um Krebszellen, rote Blutkörperchen und gemischte Zellen zu erkennen und zu unterscheiden, indem Unterschiede in ihrer Größe und Form erkannt werden. Der AI-Planer sieht dann die Krebszellen als Ziele und die anderen Zellen als Hindernisse und plant entsprechend einen Weg.

"Wir wollen die Mikro- / Nanorobotik-Systeme auf dem Gebiet der biomedizinischen Operationen und der Manipulation im Nanomaßstab anwenden", sagte Li.

In Zukunft wollen die Wissenschaftler weiterentwickelte autonome Mikrofahrzeuge mit Funktionen wie autonomes Bremsen, "Cruise" -Kontrolle, Spurhaltung und der Fähigkeit zur Interaktion mit der Umwelt entwickeln.

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