Magnetic navigation and actuation of nanorobotic systems through the use of Helmholtz coils

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Nunes, Daniel Filipe Vilhena
Data de Publicação: 2018
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10451/36460
Resumo: Tese de mestrado em Física, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, em 2018
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spelling Magnetic navigation and actuation of nanorobotic systems through the use of Helmholtz coilsMagnéticoMicrorobóticaMicrofabricaçãoNavegaçãoTeses de mestrado - 2018Domínio/Área Científica::Ciências Naturais::Ciências FísicasTese de mestrado em Física, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, em 2018A navegação magnética de sistemas nano ou micro-robóticos é uma área de investigação na qual o interesse académico é crescente – desde nanopartículas magnéticas a dispositivos nadadores de tamanhos microscópicos. A utilização de campos magnéticos é também de grande interesse para aplicações médicas. Estudos prévios recorrem à utilização de pares de bobines em configuração de Helmholtz (campo magnético uniforme) e em configuração de Maxwell (gradiente magnético uniforme), com o fim de criar campos magnéticos controláveis. Existem várias opções para fornecer energia a nano ou microrobots, sendo as mais comuns a elétrica e a magnética. Enquanto a maioria das soluções elétricas tem a fonte de alimentação no próprio microrobot, as soluções magnéticas tendem a usar campos magnéticos externos de forma a atuar os microrobots. Estas soluções tornam-se assim ideais para aplicações médicas devido ao já estabelecido uso de máquinas de ressonância-magnética em medicina. O maior obstáculo a ultrapassar no desenho destes sistemas microrobóticos a serem usados em aplicações médicas é o fluxo de Stokes. Devido à reduzida dimensão das estruturas nano ou microrobóticas, o número de Reynolds torna-se também pequeno, podendo ser inferior a 1. Nesse caso, o fluido no qual a estrutura se encontra submersa comporta-se como o equivalente a um fluido de elevada viscosidade. Assim, recorrer puramente a uma força magnética para “arrastar” o microrobot, implicaria o uso de gradientes magnéticos elevados e de difícil criação. Utilizando bobines de Helmholtz e com inspiração na propulsão de microrganismos, a locomoção é possibilitada usando somente campos magnéticos de baixa intensidade. Estudos previamente existentes incluem a utilização de campos alternos para locomoção de microrobots, oscilando-os de forma a que parte da sua estrutura (uma cauda flexível) atue como leme. Campos magnéticos com precessão em torno de determinada direção, permitem a rotação de microrobots com caudas helicoidais, também assim propulsionando-os. Gradientes magnéticos são maioritariamente usados em nanorobots cuja componente magnética possui elevando momento magnético (como no caso de nanopartículas superparamagnéticas). Assim, este projeto baseou-se na utilização de campos de magnéticos uniformes gerados por pares de bobines em configuração de Helmholtz para o controlo de microrobots constituídos por materiais flexíveis e com componente magnética capaz de realinhar toda a estrutura. Foram fabricados três pares ortogonais de bobines de Helmholtz ligados a uma fonte de alimentação DC programável (Hameg HMP4040). Esta fonte foi controlada através de uma interface de utilizador gráfica desenvolvida em LabVIEW o que permitiu o controlo da intensidade do campo no plano XY das bobines e na direção do terceiro par de bobines, tal como ângulo que o campo faz com a direção X. No entanto, a fonte tem limitações. Apenas valores positivos de corrente conseguiram ser gerados e a frequência máxima possível foi de 1 Hz. Usando um íman permanente de neodímio com cinco milímetros como objeto de teste, o controlo da direção do campo foi comprovado. A fase seguinte consistiu na fabricação de microrobots (nViper) para testes de controlo em meio fluídico e à microescala. Os nViper foram microrobots fabricados com o intuito de testar as capacidades do sistema de bobines e da fonte de alimentação. O seu desenho geral foi inspirado na estrutura de espermatozoides (uma cabeça e uma cauda), enquanto a geometria da cabeça foi baseada na morfologia de bactérias (coccus e bacillus) e também espermatozoides. Os microrobots foram fabricados em poliamida (base e encapsulamento), um polímero flexível e biocompatível, e uma liga de cobalto-crómio-platina (CoCrPt), uma liga de material ferromagnético (componente magnético na cabeça do microrobot). Seguiram-se três processos diferentes de fabricação. O primeiro teve como objetivo determinar a possibilidade de enrolamento das caudas de forma a obter propulsão com um campo magnético rotativo e uma cauda helicoidal. Para tal, as estruturas foram desenvolvidas por cima de uma camada sacrificial composta por alumínio (na maioria da área) e crómio (por debaixo das cabeças). Ao remover o alumínio, as caudas soltaram-se e a estrutura manteve-se presa ao substrato pela área coberta por crómio. Ao não se verificar o enrolamento, o segundo processo foi simplificado com a suposição que seria possível soltar as estruturas diretamente do substrato de vidro. Ou seja, os microrobots nViper foram fabricados diretamente no vidro. Visto que não foi possível removê-los diretamente do vidro, no terceiro processo voltou a incluir-se uma camada de sacrificial de alumínio. O primeiro processo teve resultados positivos quanto à definição das estruturas, mas o enrolamento das caudas não ocorreu, observando-se, no entanto, ligeiras curvas nas caudas soltas do substrato. Foi também possível verificar que CoCrPt é corroído pelo etchant de alumínio e também pelo de crómio. Após a conclusão do segundo processo, observaram-se restos de CoCrPt à volta da base de poliamida que anteriormente foram confundidos com resíduos de alumínio. O terceiro processo foi concluído com sucesso, terminando na remoção da camada sacrificial e recuperação dos microrobots para o interior de Eppendorfs de capacidade 1.5 mL com água. Foi desenvolvido um script em Python para seguir o movimento dos nViper em caso de locomoção, esta vertente do script não foi necessária. No entanto, este foi usada para captação de imagens através do microscópio USB Veho VMS-004 Delux e poderá ser futuramente utilizado em continuações deste projeto. Os resultados obtidos demonstram sucesso inicial na fabricação e controlo de microrobots com o sistema atual. Após o final do terceiro processo de fabricação existem ainda passos a ser otimizados: a camada de encapsulamento de poliamida, a remoção e recuperação dos microrobots. A utilização dos microrobots nViper com o atual sistema de bobines foi um êxito como primeira prova de conceito para futuras aplicações de novos sistemas microrobóticos ou melhoramentos a serem efetuados nos nViper. Ao se colocar uma gota com microrobots numa lâmina de vidro hidrofóbica, e com o campo ligado na direção Z durante a colocação, foi possível posteriormente realinhar um microrobot. Um campo na direção X foi aplicado e de seguida rodado 20º. O microrobot em questão seguiu com uma rotação de 19.07º, valor calculado através de medições de pixéis das imagens obtidas. Outros microrobots realinharam-se com a mudança do campo noutras tentativas, no entanto o resultado anterior foi o mais aproximado da rotação efetuada pelo campo. Numa última abordagem, foi utilizado um íman permanente de neodímio com aproximadamente cinco centímetros para testar outra forma de controlo. Verificou-se que os microrobots foram capazes de se realinharem com o campo magnético produzido pelo íman permanente após uma breve perturbação causada ao sistema por um pequeno movimento devido a uma súbita oscilação do suporte da lâmina de vidro. A necessidade de alguma forma de perturbação ou alinhamento prévio com o campo na direção Z antes da gota atingir a lâmina de vidro, indica que as estruturas, por forças de atração, são adsorvidas ao substrato de vidro. Em suma, o atual sistema provou ser capaz de controlar estruturas macroscópicas e microscópicas de forma satisfatória. A fabricação de microrobots constituídos por poliamida e CoCrPt mostrou-se possível e os resultados funcionais, embora com espaço para otimização do processo. Embora locomoção não tenha sido atingida, tal poderá ser realizável com recurso a uma fonte de corrente AC programável e utilizando frequências superiores a 5 Hz. Um sistema microfluídico poderá ser utilizado de forma a evitar a deposição dos microrobots e também simular os canais encontrados em sistemas vasculares e assim estudar possíveis aplicações e desenhos para os microrobots nViper em aplicações que incluam o sistema cardiovascular.Magnetic navigation of nano or microrobotic systems is a research area with growing academic interest – from magnetic nanoparticles to microscopic swimmers. While other options for power supply do exist, magnetic fields are widely used with medical applications already in sight, as the adaptation of magnetic-resonance imaging equipment for the control of said magnetic nano or microrobots is a widely presented possibility. The major obstacle to overcome at the scale that the robots are to operate in is the drag of the fluid surrounding them. As their size decreases so does the corresponding Reynolds number, leading to the equivalent of being submerged in a highly viscous fluid – also known as Stokes flow. In turn, this implies the need of a strong magnetic force. With small volumes, it means a strong magnetic gradient is necessary to overcome the drag force of the surrounding fluid on the robot. As an alternative to applying strong magnetic gradients, previous studies took inspiration in microorganisms that navigate in similar regimes (examples include bacteria and spermatozoa). In this dissertation, nViper, a microrobot that follows that line of thought, is presented. It is composed of polyimide, a flexible and biocompatible polymer, and a ferromagnetic alloy of cobalt-chromium-platinum. Fabrication included stages of chemical etch and lift-off process, with lithography stages performed with direct laser writing. nViper’s structure is alike spermatozoa’s, possessing a head and a tail, both composed of polyimide. On the head, an extra layer of the ferromagnetic alloy was added. A controllable magnetic field was created with three orthogonal pairs of coils in Helmholtz configuration. The microrobots were tested in a water droplet on top of a hydrophobic glass substrate in the centre of the coil setup. Trials consisted in altering the magnetic field’s direction and verifying changes to the alignment of the several nViper on the droplet. While some of the structures adhered to the glass and needed mechanical disturbance of the system to realign, when a droplet with nViper microrobots was poured with the magnetic field already on, structures were observed to realign in real time when the field’s direction changed.Ferreira, Hugo AlexandreRepositório da Universidade de LisboaNunes, Daniel Filipe Vilhena2019-01-16T18:55:19Z201820182018-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/36460TID:202190110enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-11-08T16:33:13Zoai:repositorio.ul.pt:10451/36460Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T21:50:47.763266Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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