Design, characterization, visualization and navigation of swimming micro robots in channels

Abstract

Mikro ve nano teknoloji alanlarında ve üretim yöntemlerinde görülen gelişmeler, uzunluğu 1μm – 1 mm arasında değişen küçük robotların imal edilmesine ve vücut içerisindeki damar, arter veya kanallarda dışardan uygulanan manyetik alanlar yardımı hareket ettirilebilmesine olanak sağlamıştır. Dönen sarmal kuyruklar gibi doğadan esinlenmiş ilerleme mekanizmaları kullanılarak tasarlanan mikro robotlar, minimal invaziv cerrahi operasyonlar, teşhis koyma, hedeflenen bir noktaya ilaç transferi ve vücuttan parça alma gibi işlemleri gerçekleştirmek için gelecek vaadetmektedir.Özellikle tıbbi operasyonlarda kullanılması hedeflenen mikro robotların tasarımı ve yönlendirmelerinin yapılabilmesi için, bulundukları kanal içinde kendi hareketleri sonucunda oluşan akış ile etkileşimlerinin anlaşılması gerekmektedir.Bu tez çalışması, düşük Reynolds sayısında sarmal kuyruklu robotların kanal içindeki davranışları üzerine yoğunlaşmıştır. Farklı boylardaki yüzücülerin sarmal adım uzunluğu, sarmal yarıçap, dönme frekansı gibi yüzme parametrelerinin ve yüzücülerin kanal içinde bulundukları pozisyonun, robotların yüzme davranışlarına olan etkileri,deneyler ve hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) modelleri kullanılarak analiz edilmiştir. Mikro-parçacık görüntülemeli hız ölçümü deneyleri ile silindirik kanallardaki mikro robotların farklı açısal hızlarında oluşan akış görüntülenmiştir. Mikro robotların katı bir düzlem çevresindeki hareketinin etkilerini araştırmak üzere, mikro robotların dikdörtgen kesitli kanallar içerisindeki hareketi deneyler ve modelleme çalışmaları ile incelenmiştir. Mikro robotların hareket mekanizmaları ve farklı frekanslarda gözlemlenen davranış değişikliklerinden de faydalanarak, faklı kanal yapıları içindeki navigasyonları gerçekleştirilmiştir. Dışardan uygulanan manyetik alanın şiddeti, yönü ve frekansı, mikro robotların kanal ağ yapıları içindeki yönünü ve pozisyonunu kontrol etmek için girdi olarak kullanılmıştır. Son olarak, manyetik mikro robotların kanal içindeki konumları, Hall-etki sensörleri kullanılarak tespit edilmiştir.

Recent advances in micro- and nano-technology and manufacturing systems enabled the development of small (1μm – 1 mm in length) robots that can travel inside channels of the body such as veins, arteries, similar channels of the central nervous system and other conduits in the body, by means of external magnetic fields. Bioinspired micro robots are promising tools for minimally invasive surgery, diagnosis, targeted drug delivery and material removal inside the human body. The motion of micro swimmers interacting with flow inside channels needs to be well understood in order to design and navigate micro robots for medical applications. This thesis emphasizes the in-channel swimming characteristics of robots with helical tails at low Reynolds number environment. Effects of swimming parameters, such as helical pitch, helical radius and the frequency of rotations as well as the effect of the radial position of the swimmer on swimming of the helical structures inside channels are analyzed by means of experiments and computational fluid dynamics (CFD) models using swimmers at different sizes. Micro particle image velocimetry (micro-PIV) experiments are performed to visualize the flow field in the cylindrical channel while micro robot has different angular velocities.The effects of solid plane boundaries on the motion of the micro swimmers are studied by experiments and modeling studies using micro robots placed inside rectangular channels. Controlled navigation of micro robots inside fluid-filled channel networks is performed using two different motion mechanism that are used for forward and lateral motion, and using the strength, direction and frequency of the externally applied magnetic field as control inputs. Lastly, position of the magnetic swimmers is detected using Hall-effect sensors by measuring the magnetic field strength.