Funkční mikrorobotické systémy
Loading...
Date
Authors
Oral, Çaatay Mert
ORCID
Advisor
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. CEITEC VUT
Abstract
Malí roboti schopní pohybu, detekce a interakce mohou mít zásadní vliv na biomedicínské a environmentální aplikace. Aby však bylo možné úspěšně dokončit stanovené úkoly, vyžadují malí robotí funkční komponenty kompatibilní s provozními podmínkami. V této práci vyvíjíme různé chemicky a externě napájené mikroroboty s funkčními součástmi pro sanaci vody a cílené zobrazování. Nejprve zkoumáme vliv vlastností částic na pohon hybridních mikrorobotů poháněných chemicky/světlem—demonstrujeme řízení rychlosti na vyžádání pomocí vestavěné optické brzdy. Poté využíváme samohybné mikroroboty k odstraňování kontaminantů, jako jsou antibiotika a nitroaromatické sloučeniny, překonáním reakcí omezených difuzí. Výsledky ukazují, že schopnost mikrorobotů odstraňovat kontaminanty lze zvýšit pomocí zabudovaných funkčních komponent, například fotoaktivních materiálů a enzymů. Jako další typ procesu sanace vody studujeme kolektivní chování povrchově funkčních magnetických mikrorobotů k zachycování volně plovoucích bakterií a mikroplastů za působení vnějších magnetických polí. Poté, co tuto kapitolu uzavřeme diskusí o klíčových výzvách směřujících k využití mikrorobotů pro sanaci vody, představíme magneticky řízené systémy pro cílené zobrazovací aplikace. Ukazujeme, že konvenční kontrastní látka může být vybavena magnetickými vlastnostmi, které umožňují vnější kontrolu v různých scénářích. Pokusy na zvířatech ukazují na lokalizaci robotických kontrastních látek v gastrointestinálním traktu myší za účelem vizualizace jeho trojrozměrné struktury pomocí rentgenové mikropočítačové tomografie. Kromě toho vyvíjíme organické mikroroboty reagující na pH s magnetickou odezvou a vlastní multifluorescencí. Za fyziologicky relevantních podmínek tito mikroroboti vykazují jedinečnou schopnost přepínání fluorescence při různých hodnotách pH, což umožňuje sledování kyselosti žaludku v cílových místech. Tyto výsledky naznačují, že inteligentní zobrazovací prostředky lze upravit tak, aby umožňovaly nevázanou ovladatelnost s cílem rozšířit možnosti běžných diagnostických přístupů založených na zobrazování. Po diskusi o klíčových výzvách, které je třeba řešit před převedením mikrorobotů do klinické praxe, shrnujeme v poslední kapitole hlavní poznatky práce. Celkově funkční mikrorobotické systémy představené v této práci naznačují slibné vlastnosti pro aplikace v dynamických a komplexních scénářích jako aktivní systémy.
Small-scale robots capable of locomotion, sensing, and interaction can have a profound impact on biomedical and environmental applications. Nevertheless, to enable the successful completion of defined tasks, small-scale robots require functional components compatible with the operating conditions. In this thesis, we develop a variety of chemically and externally powered microrobots having functional components for water remediation and targeted imaging. We initially investigate the effect of particle properties on the propulsion of chemical/light-driven hybrid microrobots—demonstrating on-demand speed control by a built-in optical brake. Then, we utilize self-propelled microrobots to remove contaminants, i.e., antibiotics and nitroaromatic compounds, by overcoming diffusion-limited reactions. The results indicate that the microrobots’ removal capacity for target contaminants can be enhanced by the embedded functional components, e.g., photoactive materials and enzymes. As another type of water remediation process, we study the collective behavior of surface-functionalized magnetic microrobots to capture free-swimming bacteria and microplastics under the influence of external magnetic fields. After concluding this chapter with a discussion on key challenges regarding the utilization of microrobots for water remediation, we introduce magnetically controlled systems for targeted imaging applications. We demonstrate that a conventional contrast agent can be equipped with magnetic properties to enable external controllability under different scenarios. Animal experiments indicate the localization of the robotic contrast agents in the gastrointestinal tract of mice to visualize the three-dimensional structure via X-ray micro-computed tomography. Moreover, we develop pH-responsive organic microrobots with magnetic response and intrinsic multi-fluorescence. Under physiologically relevant conditions, these microrobots exhibit a unique fluorescence switching behavior at different pH values to enable the monitoring of gastric acidity at target locations. These results indicate that smart imaging agents can allow untethered controllability with the aim of enhancing the capabilities of conventional imaging-based diagnosis approaches. After discussing key challenges that require interest before the translation of microrobots to the clinic, we summarize the main findings of the thesis in the last chapter. Overall, the functional microrobots presented in this thesis indicate promising features for applications in dynamic and complex scenarios as active systems.
Small-scale robots capable of locomotion, sensing, and interaction can have a profound impact on biomedical and environmental applications. Nevertheless, to enable the successful completion of defined tasks, small-scale robots require functional components compatible with the operating conditions. In this thesis, we develop a variety of chemically and externally powered microrobots having functional components for water remediation and targeted imaging. We initially investigate the effect of particle properties on the propulsion of chemical/light-driven hybrid microrobots—demonstrating on-demand speed control by a built-in optical brake. Then, we utilize self-propelled microrobots to remove contaminants, i.e., antibiotics and nitroaromatic compounds, by overcoming diffusion-limited reactions. The results indicate that the microrobots’ removal capacity for target contaminants can be enhanced by the embedded functional components, e.g., photoactive materials and enzymes. As another type of water remediation process, we study the collective behavior of surface-functionalized magnetic microrobots to capture free-swimming bacteria and microplastics under the influence of external magnetic fields. After concluding this chapter with a discussion on key challenges regarding the utilization of microrobots for water remediation, we introduce magnetically controlled systems for targeted imaging applications. We demonstrate that a conventional contrast agent can be equipped with magnetic properties to enable external controllability under different scenarios. Animal experiments indicate the localization of the robotic contrast agents in the gastrointestinal tract of mice to visualize the three-dimensional structure via X-ray micro-computed tomography. Moreover, we develop pH-responsive organic microrobots with magnetic response and intrinsic multi-fluorescence. Under physiologically relevant conditions, these microrobots exhibit a unique fluorescence switching behavior at different pH values to enable the monitoring of gastric acidity at target locations. These results indicate that smart imaging agents can allow untethered controllability with the aim of enhancing the capabilities of conventional imaging-based diagnosis approaches. After discussing key challenges that require interest before the translation of microrobots to the clinic, we summarize the main findings of the thesis in the last chapter. Overall, the functional microrobots presented in this thesis indicate promising features for applications in dynamic and complex scenarios as active systems.
Description
Citation
ORAL, Ç. Funkční mikrorobotické systémy [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. CEITEC VUT. 2025.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
en
Study field
bez specializace
Comittee
prof. Ing. Radimír Vrba, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (místopředseda)
Dr. Hamed Shahsavan (člen)
Dr. Maria Guix Noguera (člen)
Fatma Merve Yurtsever, Ph.D. (člen)
Date of acceptance
2025-02-04
Defence
Disertační práce pana Orala se zaměřuje na funkční mikrorobotické systémy. V práci byly vyvinuty chemicky a externě napájené mikroroboty pro sanaci vody a cílené zobrazování. Nejprve byl zkoumán vliv vlastností částic na pohon hybridních mikrorobotů poháněných chemicky a světlem, včetně řízení rychlosti pomocí optické brzdy. Následně byly mikroroboty využity k odstraňování kontaminantů, jako jsou antibiotika a nitroaromatické sloučeniny, překonávající difuzní omezení. Výsledky ukazují, že schopnost odstraňování kontaminantů se zvyšuje pomocí funkčních komponent, jako jsou fotoaktivní materiály a enzymy. Další část práce se zaměřuje na kolektivní chování magnetických mikrorobotů k zachycování bakterií a mikroplastů pomocí vnějších magnetických polí. Nakonec jsou představeny magneticky řízené systémy pro cílené zobrazování. Cíle práce byly splněny. Výsledky byly publikovány v prestižních vědeckých časopisech v posledních letech, což je důkazem aktuálnosti disertační práce. V průběhu obhajoby pan Oral prokázal výborné znalosti ve zkoumané oblasti a na dotazy komise odpovědel výborně.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení