Biologically inspired micro-robotic swimmers remotely controlled by ultrasound waves

Lab on a Chip ◽  
2021 ◽  
Author(s):  
Tao Luo ◽  
Mingming Wu

We report a two-bubble based micro-swimmer that can be propelled and steered entirely using one ultrasound transducer.

Author(s):  
Hadi Najar ◽  
Babak Assadsangabi ◽  
Masoud Dahmardeh ◽  
Edmond Cretu

A novel approach to the design of a Capacitive Micromachined Ultrasound Transducer (CMUT) cells is presented, using a Genetic Algorithm (GA) based optimization that couples finite element simulations with parameter changes tuned through Matlab scripts. The optimization goal is a maximization of the CMUT efficiency in coupling the electrical, mechanical and acoustic energy domains. Global constraints are related to the pull-in actuation voltage, resonant frequency (set to 5–6MHz, suitable for biomedical applications) and limits on the achievable geometric dimensions. A CMUT is a relatively new MEMS device used to generate and sense ultrasound waves through electrical actuation. Our CMUT design aims to generate ultrasound waves in the 5–6 MHz range, suitable for breast tumor detection. The electro-mechano-acoustical nonlinear coupling makes the design and optimization process difficult, requiring several cycles of finite element analysis. Therefore, a genetic constrained optimization algorithm implemented in Matlab is coupled with finite element simulations of a parameterized structure modeled in COMSOL Multiphysics, in order to maximize the efficiency of the CMUT cell. The main goal is to achieve maximum transducer efficiency, reflected in a better operating device with lower power consumption. The Matlab-FEA optimization loop is driven by the transducer electro-mechanical efficiency, used as a main performance measure to vary the CMUT geometry parameters from one generation to another.


2021 ◽  
Author(s):  
Haoyang Chen ◽  
Sumit Agrawal ◽  
Mohamed Osman ◽  
Josiah Minotto ◽  
Shubham Mirg ◽  
...  

Objective and Impact Statement: Simultaneous imaging of ultrasound and optical contrasts can help map structural, functional and molecular biomarkers inside living subjects with high spatial resolution. There is a need to develop a platform to facilitate this multimodal imaging capability to improve diagnostic sensitivity and specificity. Introduction: Currently, combining ultrasound, photoacoustic and optical imaging modalities is challenging due to complex arrangements, in order to co-align both optical and ultrasound waves within the same field of view, because conventional ultrasound transducer arrays are optically opaque. Methods: One elegant solution is to make the ultrasound transducer transparent to light. Here, we demonstrate a novel transparent ultrasound transducer (TUT) liner array fabricated using a transparent lithium niobate piezoelectric material for real-time multimodal imaging. Results: The TUT array consisted of 64 elements and centered at ~6 MHz frequency. We demonstrate a quad-mode ultrasound, Doppler ultrasound, photoacoustic and fluorescence imaging in real-time using the TUT array directly coupled to the tissue mimicking phantoms. Conclusion: The TUT array successfully showed a multimodal imaging capability, and has potential applications in diagnosing cancer, neuro and vascular diseases, including image-guided endoscopy and wearable imaging.


2021 ◽  
Author(s):  
Navid Farhoudi ◽  
Lars B. Laurentius ◽  
Jules J. Magda ◽  
Christopher F. Reiche ◽  
Florian Solzbacher

AbstractA novel glucose sensor is presented that uses smart hydrogels as a biocompatible implantable sensing element, which completely eliminates the need for any implanted electronics and uses an external conventional medical-grade ultrasound transducer for readout. The readout mechanism makes use of resonance absorption of ultrasound waves in glucose-sensitive hydrogels. Changes in in vivo glucose concentration in the interstitial tissue lead to swelling and de-swelling of the gels which in turn lead to changes in resonance behavior. The hydrogels are designed and shaped such as to exhibit specific mechanical resonance frequencies while remaining sonolucent to other frequencies. Thus, they allow conventional and continued ultrasound imaging, while yielding a sensing signal at specific frequencies that is correlated with glucose concentration. The resonance frequencies can be tuned by changing the shape and mechanical properties of the gel structures, such as to allow for multiple, co-located implanted hydrogels with different sensing characteristics or targets to be employed and read out, without interference, using the same ultrasound transducer, by simply toggling frequencies. The fact that there is no need for any implantable electronics, also opens the path towards future use of biodegradable hydrogels, thus creating a platform that allows injection of sensors that do not need to be retrieved when they reach the end of their useful lifespan.


2016 ◽  
Vol 2 (4) ◽  
Author(s):  
Marco Antônio Guimarães Da Silva

O primeiro registro de algia vertebral (AV) na historia, relatado pelo Dr. Inhotep,  ocorreu em um trabalhador que construía uma pirâmide em Sakara, no antigo Egito, em 2748 AC (Hagberg, 1993). Desde então, as AV integram-se, ao longo dos séculos, à historia da Medicina através de inúmeras contribuições literárias e científicas: Hipócrates (460-377, AC), Galenus (130-200), Vesalius (1555), Cotugno (1764), Valleix (1847), Lasegue (1864), Bernhardt (1895), Lindsetd (1920), Lortat, Jacob y Sobareanu (1904), Petrén (1908), Dejerine (1914), Sicard (1918), Heuman (1920), Danforth y Wilson (1925), Putti (1927), Ghormley (1933), Pette y Becker (1938). Atualmente, as algias vertebrais podem ser consideradas como um desastre médico, pois assumiram um perfil de distribuição verdadeiramente epidêmico e, a despeito de sua antiguidade, ainda são, sob ponto de vista etiológico,  um grande mistério.Os nossos conhecimentos atuais na área de anatomo-fisiologia nos permitem observar que a série de vértebras dos discos intervertebrais, dos músculos e dos tendões, dos ligamentos, dos vasos e dos vários tipos de nervos, acabam por formar o conjunto de estruturas que compõem as nossas costas. Todas estas estruturas suportam o nosso peso, protegem o nosso sistema nervoso e nos permitem, ainda, conviver, paradoxalmente, com um sistema biomecânico que evita a telescopagem e nos possibilita uma locomoção eficiente. Nobre e importante função desempenham as nossas costas, ao nos oferecer tantas coisas, desde que, segundo a teoria evolucionista, adotamos a postura bípede. Mas e nós, o que fazemos por elas? As preservamos de cargas compressivas intra discais que, via de regra, extrapolam os limites máximos permitidos? Adotamos hábitos posturais que permitem o equilíbrio entre os segmentos corporais e solicitam harmonicamente o sistema músculo articular? Trabalhamos em um local que nos poupe das agressões ambientais? Controlamos nossas emoções e sentimentos o suficiente para não somatizarmos em nossas costas quaisquer evidências de nossos transtornos psicológicos? Conseguimos viver, sem  aborrecimentos,  em uma sociedade que  longe de ser justa e igualitária, ainda permite que os cinismos e as hipocrisias se associem a  providenciais  omissões para indultar  gente mais esperta e sabida do que nós?Ao prefaciar o livro “The Back pain revolution”, de Gordon Waddell, (Churchill Livinstone ed., 1998),  Red Phillips parece definir muito claramente o que realmente temos feito pelas nossas costas, quando afirma:  “We have stretched our backs. We have twisted and curled our backs. We have cooked our backs. We have frozen our backs. We have stimuled our backs with electric currents of various sorts, and with ultrasound waves, infrared waves, magnetic waves and X-rays waves. We have rubbed our backs with liniments, spirits, gels, perfumes and poultices”. Na verdade, somos obrigados a tratar o sintoma e não a doença.È bem possível que neste novo século os avanços na área da psico-neuro-endocrinologia, da fisiologia e genética da dor, possam finalmente descobrir o que realmente causa a dor nas costas. Até lá, devemos aceitar o desafio de combater e prevenir esse velho mal que, como o vampiro do romance de Bran Stoker, resiste a todos os ataques e insiste em ser imortal. A diferença entre os casos de mortos retornando para aterrorizar, atacar e matar durante a noite, tão bem descritos no século XII pelo historiador inglês William de Newburgh, e a dor nas costas está no fato de que esta não seleciona como vítima apenas lindas jovens e tampouco restringe seus ataques a períodos noturnos. Ainda no campo das analogias, podemos afirmar, na atualidade, que, se o relacionamento entre vampiro e vítima estava cheio de conotações psico-sexuais, a relação  dor nas costas/ paciente interage sob ação de fortes componentes psico-sociogênicos. Não há, portanto, como negligenciar, seja qual for a nossa conduta terapêutica para a dor nas costas, o modelo proposto por Waddel (1992), que considera o paciente como resultado de uma série de conjunções fortemente influenciadas pelo seu entorno social, cultural e psicológico.De qualquer forma, ainda que essa dor nas costas possa, às vezes, ser minimizada por condutas médicas ou atenuada por protocolos fisioterapêuticos, o seu equacionamento total ainda está longe de tornar-se uma realidade, enquanto a sua verdadeira etiologia permanecer desconhecida. 


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