Микрошиммер
-
Микропузырьки и их свойства
- Микропузырьки — микроскопические объекты, способные перемещаться в жидкой среде.
- Природные микропузырьки встречаются в природе в виде биологических микроорганизмов.
- Синтетические и биогибридные микроприборы показали многообещающие перспективы в биомедицине и экологии.
-
История и развитие
- В 1828 году Роберт Браун обнаружил колебательное движение пыльцы в воде.
- В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал эссе о молекулярно-генетической теории, что помогло понять движение микропузырьков.
- Осборн Рейнольдс популяризировал концепцию числа Рейнольдса, определяющего важность инерции и вязкости для движения жидкости.
-
Стратегии движения микропузырьков
- Микроорганизмы оптимизировали метаболизм для непрерывного производства энергии.
- Искусственные микроприборы должны получать энергию из окружающей среды.
- Микроорганизмы и искусственные микроприборы не подчиняются законам равновесной статистической физики.
-
Физика микромасштабных пловцов
- Пловцы микромасштаба склонны к торможению и не могут полагаться на временную зависимость движения.
- Выводы для параллельной и нормальной составляющих сопротивления для простых геометрий можно найти в литературе.
- Принцип суперпозиции может быть использован для моделирования сложных геометрических форм.
-
Типы микропреобразователей
- Различные типы микропреобразователей питаются и приводятся в действие по-разному.
-
Стратегии плавания микроплавателей
- Микроплаватели могут работать от внешних источников питания или использовать топливо из окружающей среды.
- Магнитное и акустическое управление совместимы с манипуляцией in vivo.
- Каталитические микропереключатели могут использовать топливо in vivo.
- Оптические силы в биологических жидкостях сложны, но возможны.
-
Биоинспирированные микропереключатели
- Эритроциты человека модифицированы магнитными частицами.
- Биомиметическое плавание вдохновлено особенностями природы.
- Биогибридные микроповоротники используют преимущества биологических систем.
-
Магнитные и биогибридные микроприводы
- Бактерии, сперматозоиды и магнитотаксические клетки используются как модельные организмы.
- Акустическое возбуждение и оптические силы также используются для приведения в действие.
- Фототаксис используется в микроорганизмах-переносчиках грузов и биогибридных микропузырьках.
-
Технологии изготовления микросвиммеров
- Используются двухфотонная полимеризация, 3D-печать, фотолитография и электроосаждение.
- 4D-печать использует материалы, чувствительные к раздражителям.
- Требуется дополнительная функционализация для различных приложений.
-
Классификация микропузырьков
- Самодвижущиеся и приводимые в движение внешним полем.
- Внешнее поле лучше подходит для биологических применений.
-
Натуральные микропузырьки
- Моторные белки и ферменты преобразуют химическую энергию в движение.
- Бактерии различаются по строению клеточной оболочки и имеют различные структуры поверхности.
-
Синтетические микропузырьки
- Искусственные микровибраторы имеют инженерное и медицинское применение.
- Микромоторы способны перемещаться в жидкой среде, управляясь различными механизмами.
- Примеры применений включают локальное применение лекарственных препаратов.
-
Физика плавания микроплавателей
- Преобладают силы вязкого сопротивления
- Микроорганизмы служат источником вдохновения для искусственных микромоторов
-
Биомиметические подходы
- Имитация стратегии движения сперматозоидов и бактерий
- Использование магнитных полей для управления микромоторами
-
Синтетические микроприводы
- Разнообразие форм микроприводов
- Энергоэффективность игольчатых микропреобразователей
- Спиральные микропузырьки как биоинспирированная форма
-
Влияние смачиваемости поверхности
- Гидрофобные поверхности уменьшают крутящий момент трения
- Микроорганизмы приспособились к среде с низким числом Рейнольдса
-
Искусственные пловцы
- Теорема Гребешка и способы её обхода
- Гибкое весло и пассивная головка для нарушения симметрии
-
Влияние вязкости жидкости
- Вязкость влияет на движение микроприводов
- Гибкое весло менее эффективно при высокой вязкости
-
Каталитические реакции
- Использование разложения перекиси водорода для движения микропереключателей
- Механизм самоэлектрофореза и хемотаксис
-
Высокочастотные звуковые волны
- Использование звуковых волн для навигации микроприводов
- Гидрофобная поверхность и полости для создания пузырьков
-
Терморегулирование
- Микропреобразователи с термочувствительными материалами
- Магнитные наночастицы для управления формой микропузырьков
-
Движение без внешних сил
- Эффект Марангони для микропузырьков
- Микропереключатели с фотошаблонами для пропускания жидкости
-
Реагирование на раздражители
- Необходимость внутренней обратной связи для реконфигурируемых микроприводов
- Адаптация в коллоидном масштабе остается сложной задачей
-
Адаптация бактерий и искусственные микропереключатели
- Бактерии адаптируются к окружающей среде, изменяя форму, метаболизм и подвижность.
- Создание искусственных микропереключателей с адаптацией может улучшить технологии.
- Существующие подходы используют внешнюю обратную связь или магнитные поля.
-
Биогибридные микроприводы
- Биогибридные микроприводы сочетают биологические и искусственные компоненты.
- Микроорганизмы используются для различных функций, таких как доставка лекарств и оплодотворение.
- Биогибридные устройства могут выполнять биологические и искусственные функции.
-
Навигация микроплавателей
- Гидродинамика определяет оптимальный маршрут для микроплавателей.
- Задачи оптимальной навигации микроприводов сложнее, чем для макроагентов.
- Используются методы обучения с подкреплением и аналитические подходы.
-
Приложения микропреобразователей
- Микропреобразователи могут использоваться в различных областях, таких как хирургия и сенсорика.
- История применения микропреобразователей связана с лекцией Ричарда Фейнмана.
-
Концепция микрохирургии
- Механический хирург проникает в сердце и определяет неисправные клапаны.
- Другие устройства могут быть встроены для помощи органам.
-
Микрошайбы и наномедицина
- Микрошайбы стали реальностью благодаря исследованиям.
- Они могут использоваться для адресной доставки генов и лекарств.
-
Проблемы и перспективы
- Необходимо решить проблемы контроля, биосовместимости и биобезопасности.
- Микророботы обладают большим потенциалом для биомедицинских применений.
-
Классификация биомедицинских применений
- Включает транспортировку грузов, доставку лекарств, искусственное оплодотворение и другие.
- Некоторые микропреобразователи выполняют несколько задач одновременно.
-
Разработка микророботов
- Требует комплексного подхода к форме, материалу, технологии, стратегии развертывания и методам контроля.
- Важно учитывать проникновение через биологические барьеры и выполнение медицинских задач.
-
Доставка лекарств
- Магнитостатические бактерии могут точно доставлять лекарства к раковым опухолям.
- Исследования показывают эффективность доставки лекарств с использованием вращающихся магнитных полей.
-
Защита окружающей среды
- Микроповоротники помогают уменьшить количество отходов и загрязняющих веществ.
- Разрабатываются микропреобразователи для удаления бисфенола А и других химических отходов.
-
Мультифизические микроприводы
- Используют магнитную силу наряду с химической или оптической системой.
- Исследования направлены на разработку синтетических микроприводов для уменьшения загрязнения окружающей среды.