S v e u č i l i š t e u Z a g r e b u

Fakultet strojarstva i brodogradnje

Studij/Smjer: Strojarstvo/Konstrukcijski

Roboti u nanotehnologiji

-Seminar–

Tomislav Vuk

0035177088

Zagreb, 22.11.2023

S A D R Ž A J

Popis slika................................................................................................................................2

1. UVOD...............................................................................................................3

2. KAKO VIDJETI MIKRO I NANO STRUKTURE.....................................5

2.1. stm (skenirajući tunelski mikroskop).....................................................................................5

2.2. afm (Mikroskop atomskih sila)...............................................................................................7

2.3. ELEKTRONSKI MIKROSKOP............................................................................................8

3. MEMS (MICRO ELECTROMECHANICAL SYSTEMS..........................9

3.1. Načini proizvodnje mems SUSTAVA.....................................................................................9

3.2. primjeri mems sustava...........................................................................................................10

4. NEMS (NANOELECTROMECHANICAL SYSTEMS)...........................15

4.1. Nanorobotska linija za sastavljanje......................................................................................15

4.2. Gibanje nanorobota................................................................................................................16

4.3. Navigacija nanorobota...........................................................................................................16

4.4. TERAPIJSKA NANOTEHNOLOGIJA..............................................................................17

5. LITERATURA..............................................................................................20

Popis slika

Slika 1.1.Prikaz veličina......................................................................3

Slika 2.1. Shematski prikaz STM-a...........................................................6

Slika 2.2. Primjer manipulacije na razini atoma.....................................7

Slika 2.3. Shematski prikaz rada AFM-a...............................................8

Slika 3.1.Motor izrađen u MEMS-tehnologiji.........................................9

Slika 3.2.Medicinski MEMS robot........................................................11

Slika 3.3.Medicinski robot za uzimanje tkiva.......................................12

Slika 3.4. MEMS robot........................................................................13

Slika 3.5. Scratch Drive Actuator........................................................13

Slika 3.6. Medicinski MEMS robot.......................................................14

Slika 4.1. Nanorobotska linija za sastavljanje..........................................15

Slika 4.2.Bakterija E.Coli..........................................................................17

Slika 4.3.Medicinski nanorobot................................................................19

2

1.UVOD

O d u v i j e k j e s v i j e t a t o m a i m o l e k u l a f a s c i n i r a o

z n a n s t v e n i k e . K a ž u d a s e nanosvijet nalazi između svijeta vidljivog golim

okom i svijeta atoma i molekula. Atomski svijet nije moguće "vidjeti" zato što su

njegova svojstva manja od valne duljine vidljivesvjetlosti, ali se već u

prošlom stoljeću počela razvijati nova grana nauke i tehnologije

nanotehnologija.

C i l j n a n o t e h n o l o g i j e j e k r e i r a n j e n o v i h m a t e r i j a l a i

s u s t a v a k o j i b i b i l i u m o g u ć n o s t i b o l j e o b a v i t i n e k u f u n k c i j u

n e g o š t o s e t o m o ž e r i j e š i t i d a n a s p o z n a t i m metodama.

Slika 2.1.Prikaz veličina

Nanometar je milijarditi dio metra, 10-9 m (Slika 1.1.). Nanotehnologija predstavlja

molekularnu proizvodnju ili, jednostavnije, građenje stvari i predmeta na atomskom

nivou, na taj način što bi se slagali pojedinačni atomi ili molekule. Pojam je nekada bio

korišten za opis bilo koje tehnike sposobne da radi sa veličinama manjim od

mikrometra. Koristeći dobro poznate fizičke osobine atoma i molekula,

nanotehnlologija  p r e d l a ž e k o n s t r u k c i j u u r e đ a j a v e l i č i n e n e k o l i k o

3

n a n o m e t a r a . T r i k j e u u p r a v l j a n j u  pojedinačnim atomima ili

molekulama i postavljanju na točno mjesto gdje su potrebni za  proizvodnju

željene strukture.

Zašto korisiti strukture tako malih dimenzija? Zato što manipulacijom na razini

atoma uvelike možemo utjecati na svojstva u makroskopskom svijetu. Mikro i

nanoroboti mogli bi surađivati u skupinama te na taj način pojedinačno mjenjati

strukturu na maloj razini dok bi se to sumarno vidjelo na makroskopskoj razini.

4

2.KAKO VIDJETI MIKRO I NANO

STRUKTURE

2.1. STM (SKENIRAJUĆI TUNELSKI MIKROSKOP)

Skenirajući tunelski mikroskop ima oštri metalni vrh koji završava samo jednim

atomom, a on prelazi iznad onoga što se promatra. Kada se zašiljen vrh od provodnog

materijala približi provodnom ili poluprovodničkom materijalu,efekat poznat kao

“kvantno tuneliranje” generira vrlo slabu električnu struju između tog vrha i promatrane

površine. Ta se struja pojačava i mjeri, a na temelju toga dobija se slika promatranog

predmeta. Jačina struje direktno ovisi o udaljenosti vrha STM-a od materijala, a uređaj

može “vidjeti” i pojedinačne atome. Razlučivost skenirajućeg tunelskog mikroskopa

najveća je od svih mikroskopa: optički može razlikovati detalje veće od 0,5

mikrometara (ili 500 nanometara), skenirajući elektronski mikroskop razaznaje i detalje

velike nekoliko nanometara, dok STM vidi i ono što je veliko 0,1 nanometar. Slike koje

daje STM otvorile su potpuno novi pogled u razumijevanje materije. No, možda i

važnija mogućnost STM-a jest manipuliranje atomima na površini materijala. To je prvi

put efektno demonstrirano početkom 90-ih godina kada su atomi ksenona poredani u

natpis “IBM”. Primjer manipulacije atomima prikazan je na slici 2.2.

Njegov razvoj je 1981. donio pronalazačima, Gerd-u Binnig-u i Heinrich-u Rohrer-

u (sa IBM Zürich), Nobelovu nagradu za fiziku, 1986.

5

Slika 2.1. Shematski prikaz STM-a

Na slici 2.1. vidimo shematski prikaz STM-mikroskopa. Struja tuneliranja prolazi

kroz pojačalo te se zatim analizira.

U jednom načinu djelovanja (način konstantne visine), udaljenost između vrha

i površine održava se konstantnom (konstantna z -koordinata vrha), a promjene u struji

ovisne o x i y koordinatama vrha se bilježe. Promjena struje kao funkcija (x, y) položaja

vrha prevodi se kao “slika” površine. U drugom načinu djelovanja (način

konstantne struje),struja se drži konstantnom, a promjene z-koordinate vrha se

bilježe. Dobiveni podaci ponovnose mogu prikazati kao slika površine. Struja se mijenja

u (x, y) ravnini zbog nehomogenosti površine na skali atoma, tj. elektronska

gustoća površine nije svugdje ista. Da bi se struja između vrha i materijala

uspostavila, elektroni iz površine moraju putovati prema vrhu ili oni iz vrha moraju

putovati prema površini. S obzirom da je prostor između vrha i

površine praktički vakuum, elektroni jedino mogu tunelirati kroz taj prostor. Takvo

ponašanje može se objasniti jedino kvantnom teorijom. Kako struja tuneliranja opada

približno eksponencijalnokako se razmak između vrha i površine povećava, vrh mora

biti vrlo blizu površine da bi se struja (tipično u nanoamperima) mogla zabilježiti.

6

Slika 2.2. Primjer manipulacije na razini atoma

2.2. AFM (MIKROSKOP ATOMSKIH SILA)

Mikroskopija atomskih sila se zasniva na mjerenju intenziteta

međumolekularnih sila. Sile koje su važne u ovom slučaju su jaka odbojna sila koja se

pojavljuje na malim udaljenostima kao rezultat preklopa elektronskih gustoća vrha

mikroskopa i uzorka i dugodosežna Van der Waals-ova sila Intenzitet sila je ovisan o

udaljenosti na kojoj se nalaze čestice čiju interakciju utvrđujemo, što nam omogućuje da

mjerenjem intenziteta sile točno odredimo na kojoj se udaljenosti od uzorka (atoma)

nalazimo. Na osnovu izmjerene vrednosti intenziteta sile dobivaju se udaljenosti od

uzorka i to je osnova za formiranje slike koja se dobija metodom mikroskopije atomskih

sila. Ako na velikom broju mjesta na površini nekog uzorka izvršimo mjerenje

intenziteta međumolekularnih sila, tada smo u mogućnosti da, spajanjem tih točaka,

dobijemo informaciju o morfološkom izgledu te površine.

Mjerenja se provode pomoću nano-konzole koja predstavlja ključnu

komponentu sistema za mjerenje sila čiji se intenzitet kreće u opsegu nekoliko

nanonjutna (10-9 m). Laserski snop se fokusira na konzolu, i reflektira na fotodiodu.

7

Shematski prikaz može se vidjeti na slici 2.3. Glavna prednost AFM-a je da je uređaj

namijenjen promatranju površina, ne nužno vodljivih za razliku od STM-a.

Slika 2.3. Shematski prikaz rada AFM-a

2.3. ELEKTRONSKI MIKROSKOP

Elektronski mikroskop elektronski mikroskop koristi zraku elektrona, koju

usmjerava fokusirajući elektromagnetsko polje. Iz razloga što je valna duljina elektrona

znatno kraća od one fotona vidljive svjetlosti, granica razlučivosti elektronskog

mikroskopa je puno manja od one svjetlosnog mikroskopa: oko 0,1 – 0,2 nm

elektronskog mikroskopa u usporedbi s oko 200 – 350 nm kod svjetlosnog mikroskopa.

8

3.MEMS (MICRO

ELECTROMECHANICAL SYSTEMS

MEMS se mogu definirati kao male komponente koje posjeduju obje funkcionalnosti,

mehaničku i električnu. Tradicionalni MEMS oblikovani su na temelju osnova poluvodičke

proizvodnje. Ovakvi uređaji sastavljeni su od komponenata čije se dimenzije kreću od 0.001

do 0.1 mm dok sami uređaji mogu biti većih dimenzija. Zbog velikog odnosa

površina/volumen površinski efekti poput elektrostatike dominiraju u odnosu na

volumenske efekte poput inercije ili mase. Jedan primjer dostignuća u mikro svijetu

prikazan je na slici 3.1. Slika prikazuje aktuator (motor) izrađen na Sveučilištu California,

Berkley.

Slika 3.1.Motor izrađen u MEMS-tehnologiji

3.1. NAČINI PROIZVODNJE MEMS SUSTAVA

Litografija je tehnika koja se rabi za prijenos racunalno generiranih geometrijskih

uzoraka na podlogu najčešće (silikon, staklo, itd.). Taj uzorak se kasnije koristi za

ugraviranje podslojnog tankog filma (oksid, nitrid, itd.) za razne namjene

(premazivanje, graviranje, itd.). Fotolitografija (litografija s pomocu ultravioletnog

(UV) izvora svjetla) je daleko najupotrebljivanija u tehnici litografije u

9

mikroelektronskoj proizvodnji, dok je litografija elektronskom zrakom (e - zraka)

alternativa koja je privukla znatnu pozornost u MEMS i nanoproizvodnim podrucjima.

Čest je prijenos uzorka na podlogu obloženu sa silicijevim dioksidom. Medutim,

ista tehnika primjenjiva je i na drugim materijalima. Nakon polaganja željenog

materijala na podlogu, fotolitografski proces pocinje s prevlacenjem podloga s

fotootpornim slojem. To je polimerni fotoosjetljivi materijal koji može biti nanesen na

mali disk u tekucem obliku. Dvije razlicite vrste fotootpornika su dostupne: pozitivna i

negativna. U pozitivnom, podrucja izložena UV zracenju ce se raspasti u kasnijoj fazi

razvijanja, dok ce kod negativnog fotootpornika izložena podrucja u istoj fazi i dalje

ostati netaknuta. Nakon nanošenja fotootpornika na plocicu, podloga se lagano pece (5-

30 min na 60-100 şC) kako bi se uklonila otapala iz fotootpornog sloja i poboljšalo

prianjanje. Nakon toga, maska se uskladuje s plocicom i fotootpornik je izložen UV

izvoru. Projekcijsko printanje je daleko najkorišteniji sustav u mikroproizvodnji i može

pružiti superiorne rezolucije u odnosu na metode kontakta i blizine. Nakon izloženosti,

fotootpornik je razvijen u procesu slicnom razvoju fotografskog filma. Nakon toga sloj

se pece po drugi puta (20-30 min na 120-180 şC) kako bi se poboljšalo prijanjanje.

Pecenje je korak koji zakljucuje fotoliografski slijed koji stvara željeni uzorak na

plocici. Dalje, podslojni tanki film je ugraviran i fotootpornik je umocen u aceton ili

drugo organsko uklanjalo otapala. Zatim se oksid (SiO2) uklanja pomoću kiseline. Na

kraju se uklanja fotootporni sloj.

3.2. PRIMJERI MEMS SUSTAVA

MEMS robot razvijen na Izraelskom Tehničkom Fakultetu ima promjer od samo 1

mm. Na robotu ne postoje ugrađeni motori ili kontrole,već robot pomoću vanjskog

izvora magnetskog polja dobiva energiju za pokretanje. Koristeći nožice koje prijanjaju

na unutarnje stjenke arterija robot se kreće kroz tijelo brzinom do 9 mm po sekundi.

Magnetsko polje uzrokuje vibriranje nožica kojima se robot kreće. Robot može poslužiti

kod pročiščavanja začepljenih arterija,što je sve veći problem današnjeg stanovništva,uz

prednost da djeluje neinvazivno za razliku od nekih komercijalnih metoda koje se danas

koriste. Robot je prikazan na slici 3.2.

10

Slika 3.2.Medicinski MEMS robot

Bežično upravljani MEMS robot opremljen mikro-hvataljkama kojima može

uzimati uzorke tkiva sa teško dostupnih mjesta. Danas se za prikupljanje tkiva, unutar

tijela pacijenta, koriste hvataljke pričvršćene na tanku žicu ili na cijev. To može stvarati

probleme kod upravljanja kroz teško dostupna mjesta. Ovaj robot sadrži pozlačeni nikal

što omogučuje da bude upravljan pomoću vanjskog izvora magnetskog polja. Mikro-

hvataljka je građena od 6 nožica. Spojevi nožica sa tjelom sadrže tanke slojeve kroma i

bakra čije bi karakteristike normalno izazvale zatvaranje nožica. Zatvaranje nožica je

spriječeno dodavanjem polimerne smole koja zglobovima daje krutost te tako sprječava

zatvaranje. Kada robot stigne na željenu poziciju podiže se temperatura na 40 c°. Ta

temperatura omekšava smolu te se nožice zatvaraju te uzimaju uzorak. Robot je

prikazan na slici 3.3.

11

Slika 3.3.Medicinski robot za uzimanje tkiva

Robot razvijen na Dartmouth College-u (slika 3.4.). Dimenzije robota su 60 nm x

250 nm.Robot se upravlja bez žica te se može kretati bilo gdje po podlozi. Robot ima

dva nepovezana aktuatora,jedan za pravocrtno gibanje te jedan za rotaciju. Njegovo

gibanje nije preprogramirano već se direktno upravlja preko mreže silicijskih elektroda

koje čine podlogu po kojoj se kreće. Struja u elektrodama mu daje energiju za

pokretanje ali i informaciju kamo se robot mora kretati. Jedan korak pomiče ga za

12nm. Aktuator koji ga pokreće je Scratch Drive Actuator (SDA). To je MEMS uređaj

koji pretvara električnu energiju u kinetičku. Aktuator se nalazi na podlozi koja je na

površini izolirana tankim slojem dielektrika. Kada se između aktuatora i podloge

uspostavi napon,postignuti potencijal privlači tijelo aktuatora prema podlozi. Prednji dio

aktuatora pomiče se naprijed dok dio energije ostaje pohranjen kao potencijalna energija

u savijenom tijelu. Kada napon prestane djelovati aktuator se vrača u svoj početni oblik

dok prednji dio ostaje u novom položaju (slika 3.5.). Njihova upotreba mogla bi biti

značajna kod tehnika koje ukljčuju manipulacije proteinima i stanicama.

12

Slika 3.4. MEMS robot

Slika 3.5. Scratch Drive Actuator

13

Medicinski mikro robot (slika3.6.). Dimenzije ovog robota su 30mm u duljinu,15mm u

širinu te 10 mm u visinu. Osnovna namjena mu je da unutar ljudskog tijela detektira

oštečenja,da dovodi ljekove na zahvačena mjesta te uzimanje djelića tkiva za daljnju

analizu. Pokreće se preko vanjskog izvora magnetskog polja. Ovaj robot može dulje

ostati u trbušnoj šupljini radi nadgledanja i lječenja zahvačenih organa i tkiva.

Slika 3.6. Medicinski MEMS robot

14

4.NEMS (NANOELECTROMECHANICAL

SYSTEMS)

NEMS se mogu definirati kao male komponente koje posjeduju obje funkcionalnosti,

mehaničku i električnu na razini nanometra. NEMS se smatra logičnim napretkom

baziranim na MEMS uređajima koje smo pokazali u prethodnom poglavlju.

4.1. NANOROBOTSKA LINIJA ZA

SASTAVLJANJE.

Slika 4.1. Nanorobotska linija za sastavljanje

Prva nanorobotska linija za sastavljanje. Linija se sastoji od 4 nanorobota

građenih od molekula DNA koji zajedno surađuju u izgradnji nanostruktura. Nanoroboti

su građeni od niti DNA molekula, svaki ima po četri noge kojima se kreće po posebno

pripremljenoj podlozi prekrivenoj sa spojevima koji upravljaju robotovim gibanjem.

Svaki od njih ima po tri ruke kojima može nositi teret,u ovom slučaju čestice zlata

15

različitih veličina. Te čestice zlata zajedno mogu biti sastavljene u 8 različitih

kombinacija. Linija se sastoji od 3 programabilna DNA robota stavljena na mjesta

označena plavom,ljubičastom i zelenom bojom. Šetač označen sa trokutastim

smještajem molekula DNA. Strojevi imaju terete C1-5nm čestica zlata,C2-par 5-nm

čestica te C3-10 nm čestica. Njihovo stanje može biti PX (donirati teret) ili JX2 (ne

donirati). U slučaju na slici svi roboti daju teret. Slika b) načinjena je pomoću

mikroskopa atomskih sila.

4.2. GIBANJE NANOROBOTA.

Ako predpostavimo da nanorobot nije na neki način vezan za upravljačku

jedinicu ili ne želimo da se robot giba pasivno u smjeru krvotoka, robot treba pogon da

bi se kretao. Ako se treba gibati u suprotnom smjeru od strujanja potreban mu je

relativno jak pogon u ovisnosti o njegovoj veličini. Bakterije poput E-Coli (slika 4.2.)

za gibanje koriste pomicanje repova. Ovaj primjer opisan je već u poglavlju 3 na

primjeru MEMS robota čija je namjena kretanje kroz arterije u svrhu rješavanja

problema začepljenja žila ili nekog drugog oštečenja. Takav robot pogonio bi se

pomoću vanjskog magnetskog polja koje bi uzrokovalo vibriranje robotskih nožica.

Druga ideja je da robot koristi kondenzatore za generiranje magnetskog polja koje bi

usisalo vodljivi fluid na jednoj strani elektromagnetske pumpe te ga izbacivalo kroz

drugu stranu stvarajući tako potisak. Još jedna od ideja je da roboti koriste vibrirajuće

membrane koja bi svojim opuštanjem i zatezanjem generirala potisak.

Slika 4.2.Bakterija E.Coli

16

4.3. NAVIGACIJA NANOROBOTA

Navigacija nanorobota kroz ljudsko tijelo može biti ostvarena na dva osnovna

načina,preko vanjskog sustava ili preko sustava koji se nalaze na samom robotu. Jedna

od vanjskih metoda je da se koriste ultrazvučni signali da bi se odredila lokacija

nanorobota ted a bi se on usmjerio na točno odredište. U tom slučaju bi nanorobot

emitirao ultrazvučne signale koje bi mogli detektirati posebnim ultrazvučnim

senzorima. Druga metoda temelji se na magnetnoj rezonanciji (MRI). Na taj način bi se

robot pratio detektirajući njegovo magnetsko polje. Još jedna od mogučnosti je da se u

krvotok ubaci radioaktivna boja. Zatim se detektira njezino širenje kroz krvotok te se na

temelju dobivene slike može zaključiti gdje se robot nalazi. Alternativa je da robot pušta

radioaktivnu boju u krvotok ted a se na taj način prati kuda prolazi.

Moguće je i to da se sam sustav nalazi na robotu. Npr. robot ima sensor za

detektiranje kemijskih spojeva koji ga vode do tražene pozicije. Moguće je i stavljanje

kamere na sam nanorobot.

4.4. TERAPIJSKA NANOTEHNOLOGIJA

Terapijska nanotehnologija nudi minimalno invazivne terapije s visokom gustocom

funkcija koncentriranih u maloj kolicini (volumenu) - znacajke koje mogu smanjiti

degeneracije i smrtnost pacijenta. Multifunkcionalnost je obilježje nanoterapeutskih

uredaja u nastajanju i multifunkcionalnost može dopustiti da nanoterapeutski uredaji

obavljaju više radnih procesa, svaka funkcionalna komponenta pridonosi jednom ili više

potprograma nanouredaja tako da, zbirno gledano, suma potprograma na uvjerljiv nacin

izvodi proces rada. Najjednostavniji nanoterapeutski potprogrami ukljucuju ciljanje na

mjestima bolesti, raspršivanje izmjerenih doza ljekova (ili bioaktivnih smjesa),

otkrivanje rezidualne bolesti nakon terapija i komunikacija sa samim operaterom

uredaja. Širenje nanoterapija ce tako zamagliti granice izmedu medicinskih uredaja i

tradicionalnih lijekova. Skup terapijskih nanouredaja opcenito iskorištava ili svojstva

samomontaže (bio)materijala ili tehnike kemoselektivne biokonjugacije ili pak oboje. S

obzirom na kompleksnost, sastav i nužnost, njihova tocna kemijska i strukturna

definicija je jako važna za samu prirodu nanoterapije, jer cijene njihove robe mogu

17

premašiti cijenu vec ionako skupe biologije. Rani terapijski nanouredaji ce vjerojatno

biti primijenjeni kod bolesti koje pokazuju veliko nezadovoljavanje potreba pacijenata

(rak i kardiovaskularne bolesti), dok ce primjene na druge bolesti morati pricekati

usavršavanje nanoterapeutskog dizajna i montažne protokole. Uredaji su integrirane

funkcionalne strukture, a ne mješavine materijala. Opcenito, dizajn nanouredaja je

slican dizajnu drugih inženjerskih struktura, pod uvjetom da imaju posebna svojstva

materijala (odnosi se na njihove nanostupanjske aspekte kao što su kvantne, elektricne,

mehanicke, biološke osobine, itd.), kao i njihov utjecaj na terapiju. Terapija može

komunicirati pacijentima na više razina, u rasponu od organske do molekularne, ali je

razumno ocekivati da ce vecina nanoterapija komunicirati s pacijentima na nanostupnju

do odredene mjere.Na slici 4.3. prikazana je umjetnička predodžba jednog nanorobota

koji se kreće unutar krvnih žila.

Slika 4.3.Medicinski nanorobot

18

19

5.LITERATURA

1.James J.Allen, Micro Electro Mechanical System Design,2005

2.W.Goddard, Handbook of Nanoscience,Engineering and Technology,2003

3. http://electronics.howstuffworks.com

4. http://www.bifonline.rs

5. http://www.popsci.com

6. http://www.jhu.edu

7. http://www.technovelgy.com

8. http://www.znanost.hr

20