Battle of Engineering "Analisis teknik dari teknologi Flagella-Based Micro-Robot"

(1)

Battle of Engineering

"Analisis teknik dari teknologi

Flagella-Based Micro-Robot"

Dikerjakan Oleh:

Aloysius Damar Pranadi (11/319656/TK/38777)

JURUSAN TEKNIK FISIKA

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS GADJAH MADA

(2)

Abstrak .

Sekitar 35 tahun yang lalu, gerakan rotasi helic, dalam teknik berenang flagella pada bakteri (bahkan bakteri dari berjuta-juta tahun silam sudah memilikinya) telah dijabarkan secara detail oleh HC. Berg dan RA Anderson (Nature vol. 245, pp. 380-382, 1973). Selain itu, penelitian-penilitian terbaru tentang teknik berenang flagella telah membawa manusia mengenal rotasi flagella tunggal lebih mendalam dan menirunya dalam sebuah mikrorobot. Terinspirasi dari gerakan flagella yang diteliti oleh HC Berg, dan RA Anderson pada bakteri E. Coli, flagella based micro-robot telah berhasil dikembangkan dalam beberapa waktu belakangan ini.

Geometri dari flagella based micro robot ini dibuat mirip dengan flagella pada alaminya, dan juga ukurannya disamakan. Sistem pendorong yang memiliki kemiripan ukuran dan gerakan helic dari flagella motor ini mengandung nanocoil yang bersifat maknetik dengan ukuran sekitar 27 nm tebalnya, 3 ìm diameternya, 30-40 ìm panjangnya, dan dijalankan oleh macrocoil. Macrocoil menghasilkan area rotasi yang menginduksi gerakan rotasional di nanocoil tersebut. Pemodelan mekanika fluida dan maknetik biasa digunakan untuk memperkirakan persyaratan dari sistem, dan menjadi dasar perhitungan matematis dari gerakan flagella tersebut.

Dengan kemajuan teknologi dewasa ini, sistem mekanik mikro (atau bahkan nano) flagella-based micro robot seringkali dilengkapi dengan sistem nirkabel untuk mengetahui apa yang dihasilkan dari microrobot ini, dan memampukan sistem tersebut menampilkan hasil output yang mudah terbaca oleh manusia.

Kegunaan penting dari nanorobot adalah mendukung teknologi medis yang lebih berkualitas, meningkatkan penyembuhan dan kesehatan, serta memonitor suatu lingkungan. Dalam aplikasi bio-medis nanorobot mampu berenang dalam aliran fluida biologis – mungkin dari sebuah organisme, yang bahkan ukuran dari diameter pipanya hanyalah sekitar beberapa ratus nanometer.

Dalam paper kali ini akan dijabarkan sisi keteknikan dari flagella-based microrobot seperti kecepatannya, energi, gaya-gaya yang ada pada saat flagella itu “ berenang di sebuah fluida”, dan sisi keteknikan lainnya. Juga terdapat bagaimana menjabarkan persamaan/model-model numerisnya, dan juga analisis keteknikan yang ada pada flagella-based microrobot tersebut. Sehingga walau paper ini menyinggung beberapa kegunaan dan bagian dari flagella based Microrobot, penulis tidak akan membahas lebih lanjut hal-hal yang tidak berpengaruh dari sisi teknik yang diangkat.

(3)

I. PENDAHULUAN Definisi Flagella dan Flagella dalam Bakteri

Flagella adalah salah satu alat gerak dari sebuah bakteri yang memiliki bentuk seperti bulu cambuk, berdiameter sangat kecil, dan memiliki gerakan rotasi helic saat bakteri itu ingin berpindah. Dari gambar 1, flagella nampak seperti garis-garis panjang yang menempel pada bakteri(Pada gambar itu tampak 3 flagella seperti 3 ekor bakteri).

Gambar 1. Bacteri E. Coli

Kecepatan normal rotasi untuk flagela bakteri E.coli sekitar 6000 rpm, tetapi rekor kecepatan adalah 100.000 rpm.

Adapun struktur Flagel pada umumnya sebagai berikut[7A]:

1. Lebar flagel kurang dari 0,1 μm

2. Flagel merupakan benang-benang protoplasma yang berpangkal pada titik tepat di bawah membran sel

3. Pangkal flagel dinamakan Rizoblast

4. Flagel terdiri dari protein yang disebut flagelin semacam miosin

5. Dalam medium cair, vibro dimana vibro ini bergerak dengan kecepatan 20 cm perdetik atau 0,3 km/menit atau 18 km/jam.

Bakteri berflagela contohnya, E. Coli, berenang dengan flagelanya yang berotasi secara helic, setiap gerakannya berdasarkan oleh motor perotasi yang reversible dan bertenaga dari flux ion di sekitarnya. Motornya berdiameter sekitar 45 nm dan tersusun dari 20 bagian yang berbeda. Motor tersebut dapat memiliki torsi maksimum, dan berputar beberapa ratus Hz. Arah rotasinya sendiri dikendalikan oleh sistem yang ada di dalam sel, yang biasa mencari tempat dimana yang ia bakteri itu ingin singgahi. Hal ini tanpa sengaja juga menunjukkan bahwa bakteri bergerak secara random, misalkan dalam pencarian makanan (sumber energi).

(4)

Gambar 2 Grafik distribusi Gauss

Tetapi ternyata tidak selamanya bakteri harus bergerak dahulu dalam mencari makanan. Makanan-makanan bakteri berupa protein yang ada pada inangnya. Sehingga dengan adanya bilangan tak berdimensi Peclet, bakteri bisa menentukan kapan dia lebih baik diam, kapan dia lebih baik bergerak. Hal itu tergantung dari waktu yang dibutuhkan makanannya bergerak menuju bakteri itu, dan waktu yang dibutuhkan bakteri itu menuju makanannya.

Seandainya, makanannya itu ternyata jauh lebih cepat bergerak menuju dirinya, dan waktu yang dibutuhkan makanannya ke dirinya sangat singkat, maka bakteri itu tidak perlu membuang energi untuk berjalan ke arahnya. Lebih baik bakteri itu diam, dan menunggu. Namun jikalau memang makanannya sangat lamban kecepatannya, dan masih jauh (sehingga waktu yang dibutuhkannya itu sangat lama) maka dia lebih memilih menghampiri makanannya. Rasio kedua waktu disebut akan menghasilkan sebuah bilangan yang disebut Bilangan Peclet:

Dengan

(5)

II. Flagella Micro-robot

Sebelum mengenal lebih jauh tentang micro-robot berflagela, alangkah lebih baiknya perlu ditanyakan terlebih dahulu, mengapa gerak dari flagela dijadikan acuan dasar dalam pembuatan mikro-robot ini. Gambar-gambar hasil penelitian John Singelton dkk[8P] ini akan menjelaskan alasan mengapa harus flagela (bentuk heliks) micro-robot yang digunakan.

Gambar 3. Data Perbandingan desain penggerak (motor) pada micro-robot

(6)

Gambar 4. Gambar dari klasifikasi desain di gambar sebelumnya

Dari gambar 2, dapat dilihat bahwa bentuk motor penggerak dari micro-robot yang tidak memiliki bentuk heliks memiliki gaya dorong yang sangat rendah dibanding yang heliks. Pada gambar tersebut juga dibuktikan bahwa satu flagela akan menghasilkan gerakan yang sama pada kekakuan yang sama dengan jarak antar flagela yang tidaklah terlalu jauh. Jika jaraknya dimainkan seperti desain kedua dan desain kelima, maka akan tampak perbedaan yang cukup jauh antara microrobot dua flagela dan satu flagela. Kekakuan dari bahan juga mempengaruhi gaya dorong yang dihasilkan, hal itu terbukti dengan melihat desain ketiga dan kedua pada grafik hasil. Dengan itulah alasannya mengapa flagela yang berbentuk heliks dijadikan dasar penggerak micro-robot di dunia nanoteknologi.

Hal ini dilengkapi dengan hasil analisa penulis setelah membaca buku Nelson pada bab 5, mengenai nanofluida. Disana dijabarkan ada 3 jenis perenang (dalam hal ini bakteri) dengan gambar sebagai berikut:

Gambar 5. 3 perenang, (a) flapper (b) twirler (c) spinner

Dari ketiga jenis perenang yang ada pada gambar itu, twirler adalah perenang yang paling terbaik diantara dua lainnya. Hal itu disebabkan pada flapper dan spinner, tidaklah menghasilkan gaya ke arah x positif melainkan hanya mengasilkan gaya ke arah bidang xy saja. Jika ditinjau secara 3 dimensi, gaya yang dihasilkan oleh flapper akan menghasilkan resultan gaya nol setiap dua kali dia bergerak. Misalkan sapuan pertama adalah ke arah –z maka dia akan berpindah ke arah z+, tetapi jika sapuan berlawanan diarahkan ke arah +z maka ia akan kembali lagi ke titik awal dengan gaya yang sama. Seandainya gaya dari sapuan kedua berbeda, dia akan tetap kembali ke titik awalnya hanya saja waktu yang dibutuhkan nanti akan semakin lama. Sedangkan pada spinner akan menghasilkan gaya dorong yang lebih baik dibandingkan flapper, hanya saja jika frekuensinya kecil, maka seolah-olah perenang spinner akan mengalami hal yang sama (tidak bergerak) dengan flapper. Hal itu dikarenakan momentum dari spinner yang kecil akan dipakai untuk mengagitasikan molekul fluida di sekitarnya sebelum menghasilkan gaya dorong untuk bakteri itu.

Akan tetapi jika frekuensi dari perenang itu diperbesar, maka ada kemungkinan spinner

(7)

dihasilkan spinner lebih kecil dibandingkan dengan twirler, dan untuk menghasilkan perpindahan spinner membutuhkan frekuensi gerak yang besar.

Twirler menggunakan konsep gerakan heliks flagela pada bakteri, jika alat perenang

twirler dibayangkan secara tiga dimensi, akan ada gaya yang diberikan ke arah +x secara langsung, karena ada gaya yang sejajar dengan bentuk dari alat perenang (flagela) tersebut. Gaya tersebut memiliki resultan sebesar f, dan dapat menggerakan bakteri ke arah –x. Hal itu dikarenakan gaya yang diberikan ialah kearah +x, sehingga ia dapat bergerak menuju –x, tanpa ada gaya yang mengembalikannya ke tempat awal. Hal ini berbeda dengan spinner yang hanya memberikan gaya ke arah bidang yz, dan flapper yang memiliki resultan gaya 0. Jika dalam penelitian John Singleton menyatakan bahwa spinner bisa memiliki gaya dorong. Hal itu mungkin saja terjadi apabila frekuensi gerak spinner itu sangat besar, sehingga seolah-olah ada gaya dorong lahir walau kecil. Kedua sumber inilah yang mengharuskan penulis menjadikan flagela sebagai alat penggerak micro-robot yang tepat dalam penggunaannya dalam nanofluida.

Microrobot yang dibuat merupakan biomimesis dari bakteri berflagela yang terlapisi oleh nanotubes dengan dinding terbuat dari karbon. Penggeraknya merupakan mikromotor yang merotasikan flagel itu secara helic. Micromotor ini membutuhkan 1nW untuk daya, dan memanfaatkan filament 100 P-long, dan dapat menggerakan microrobot ini dengan kecepatan renangnya mendekati 1 mm/s. Gambar berikut ini akan menjelaskan bagian-bagian dari micro robot.

Gambar 5. Bagian-bagian Flagella dalam Penelitian Dr. James Friend[5A]

Gambar 6. Bagian Flagela (Courtesy: Youtube)

Sebuah flagela based mikrorobot setidaknya terdiri dari bagian-bagian berikut[5A]:

1. Magnetic rotor

(8)

1. Gerak secara vibrasi aksial

Gambar 7. Gerak vibrasi mikrorobot dengan aksial

Menurut analisa penulis, gerakan aksial dari micro-robot ini hanya berupa gaya dorongan ke belakang dari sistem mekanis yang ada di dalamnya. Gaya ini dilakukan oleh piezoelektrik. Tetapi ternyata, setelah mengetahui bahwa dalam nanofluida tidaklah memiliki gaya inersia (lebih kecil dibandingkan gaya friksinya), gaya ini tidaklah bisa digunakan sendiri dalam nanofluida karena gaya inersianya yang sangat kecil tidak memampukan micro-robot bergerak. Maka dari itu diperlukanlah gerakan rotasional yang dikombinasikan gerakan aksial untuk menambah efesiensi geraknya.

2. Gerak secara vibrasi torsional

Gambar 8. Gerak vibrasi torsional

Menurut analisa penulis, gerakan torsional ini adalah dasar gaya yang ada dalam mikro-robot sehingga jika gaya torsional ini dikombinasikan dengan gaya yang ada pada mikro-mikro-robot akan menghasilkan gaya heliks seperti pada flagela bakteri E. Coli. Gerakan torsional ini dilakukan oleh adanya pegas yang bisa saja dibuat dari strain gauge, yang bisa menghasilkan gerakan torsional akibat adanya arus yang mengalir di strain gaugenya.

2. Capsule

Sylvain Martel[1Pr] menyebutnya sebagai weapon, hal ini dikarenakan berisi obat-obatan yang mau dibawa oleh micro-robot, atau bahan-bahan lainnya yang sesuai dengan tujuan dari micro-robot itu

(9)

5. Power Supply (contoh baterai Renata ZA10) 6. Countermass and mount

7. Alumina Counterfaces 8. Flagella

9. Pretwisted Beam Coupling Structure

Tetapi menurut Gabor Kosa[5P], dkk sesungguhnya, ada 3 bagian utama dari micro-robot berflagela itu:

1. Ekor perenang seperti Flagella. Dalam paper John Singleton[8P], presentasi Sylvain Martel dari Nanorobotics Laboratory, EPM, Montreal, Canada dan beberapa paper lainnya dinyatakan bahwa gerakan flagela heliksnya berlawanan dengan arah jarum jam pada saat micro-robot itu berlari. Sedangkan pada saat micro-robot itu melakukan perputaran arah, maka flagelanya akan berotasi dengan arah searah dengan jarum jam.

2. Sumber tenaganya (Power supply) dapat berupa baterai atau kumparan magnetik untuk induksi RF

3. IC yang terintegrasi untuk kontrol dan komunikasi (bisa berupa antena)

Sedangkan sesuai dengan keperluannya, ada beberapa elemen tambahan yang bisa ditambahkan dalam micro-robot berflagela:

1. Kamera Endoscopic and LEDs.

2. Sensor penyusun gaya untuk meningkatkan keamanan (menghindari tabrakan dengan dinding ventrikel/arteri)

3. Sebuah sensor tracking magnetis untuk lokalisasi. Sylvain Martel[1Pr] menyebutkan sensor ini terdiri dari rantai magnetit yang menjadi kompas dari micro-robot ini menuju target yang dituju (dengan memanfaatkan torsi yang dihasilkan oleh partikel magnetitnya).

4. Alat-alat khusus yang mikro (untuk biopsy atau pembawa dan penyebar radioacktif untuk brachytherapy)

Berdasarkan bagian-bagiannya diatas, di paper lainnya para peniliti (M. Sitti, dkk)[1] juga sudah membuat desain secara keseluruhan mengenai microrobot berflagella ini. Berikut desain keseluruhan mengenai micro-robot yang ada:

(10)

Dewasa ini, micro-robot tidak hanya dilengkapi sistem mekanik saja, melainkan dalam micro-robot tersebut juga terdapat sistem pengirim data nirkabel. Hal itu memungkinkan bagi para peneliti/pengguna robot ini dapat mengetahui hasil yang akan diberikan oleh robot ini. Tentunya, jika ada fungsi-fungsi lain misalkan penghancur batu ginjal, maka micro-robot ini ditambahkan suatu bagian yang mampu menghancurkan batu ginjal tersebut.[1]

Dalam paper yang ditulis oleh Zhou Ye yang berjudul Rotating Magnetic Miniature Swimming Robots With Multiple Flexible Flagella, para penulis disana telah menampilkan sebuah data desain flagelum yang optimal pada miniatur swimming robot mereka. Berikut tiga tabel yang disunting dari paper tersebut.

Berikut ini adalah beberapa contoh kegunaan microrobot:

1. Untuk meminimalkan metode invasif penghancuran batu ginjal. Microrobot berflagel itu akan berenang di dalam ureter manusia.

2. Untuk penyembuhan/operasi yang tak menyebabkan trauma pada pasien 3. Untuk memonitor sebuah fluida (lingkungan)

4. Untuk mendeteksi suatu penyakit 5. Transportasi obat

6. Untuk operasi mata 7. Untuk operasi fetal (janin)

(11)

Gambar 10. Salah satu contoh Flagella-like swimming Microrobot

Menurut analisa penulis, dalam proses pemasukan micro-robot ini ke dalam tubuh manusia ialah dengan menyuntikkannya ke dalam arteri. Dari arteri tersebut micro-robot lalu akan berjalan langsung melalui aliran darah menuju target berada. Untuk menentukan dimana target berada, microrobot itu dilengkapi dengan sensor berupa logam magnetit, yang mana pada saat micro-robot itu berada pada daerah yang dekat dengan targetnya, ia akan dibantu oleh gaya magnet dari luar, sehingga micro-robot itu tetap berada disitu dan tidak mengikuti aliran darah dalam organ yang menjadi target tersebut.

Dalam perjalanan menuju targetnya, micro-robot diasumsikan tidak menabrak dinding arteri. Rata-rata kecepatan 1 mm/s adalah rata-rata kecepatan pada umumnya. Dari percobaan Fatma Z. T dkk[16P], micro-robot yang berjalan di tengah-tengah arteri akan memiliki kecepatan lebih lambat dibanding di dekat dinding, padahal dapat kita ketahui dalam aliran fluida sistem tertutup, gaya friksi semakin mendekati dinding akan meningkat. Seharusnya, kecepatan micro-robot di dekat dinding arteri akan semakin melambat. Akan tetapi, ternyata gerakan torsional yang dilakukan oleh micro-robot tersebut akan semakin cepat jika semakin dekat dinding, sehingga hal itu mempengaruhi kecepatan dia dan membuat dia malah lebih cepat berenang dibandingkan dengan yang ditengah.

Dari penelitian Fatma, didapat near-wall swimming ,micro-robot itu akan berkecapatan 1.11 mm/s is berenang di tengah-tengah (0.87 mm/s). Berikut data grafik yang ditampilkannya berdasarakan klasifikasi jenis variable di axis yang diinginkan:

(12)

(13)

III. STUDI LITERATUR 1. Teori Gaya Hambat (Resistance Force Theory)

Resistance force theory atau yang dikenal dengan RFT merupakan salah satu hasil pengembangan penelitian Hancock dan Gray (1955), yang mempelajari mendalam tentang tenaga dorong dari flagela (secara hidrodinamik). (cf. Brokaw, 1965, 1970, 1972; Blum and Lubliner, 1973). RFT dapat melakukan pendekatan hasil yang sangat mudah untuk mencari kecepatan berenang dari micro-robot dan efesiensi daya dari flagela micro-robot itu.

Berikut ini adalah skema gambaran dari mikro-robot berflagel (dalam dua dimensi):

Gambar 14. Skema Gaya pada Micro-robot berflagela[4P]

Dari gambar diatas, tepat seolah-olah terbentuk sebuah seilinder yang berpusat pada sumbu x (artinya r = 0 di sumbu x). Silinder tersebut terbentuk dari gerakan flagela yang tadinya terpusat pada titik 0,0, lama-lama melebar membentuk heliks. Dengan u adalah kecepatan micro-robot pada suatu fluida, maka gaya resistansi tangensial ( ) dan gaya resistansi normal ( ) terjabar tepat pada gambar.

Dengan penggambaran gaya hambatnya (RFT) yang terjabar demikian maka, kita dapat mengetahui gaya resistansi yang bekerja pada mikro-robot tersebut dengan menjabarkan masing-masing.

Dengan penjabaran gaya resistansi di sumbu x, dan y, sebagai berikut:

(14)

Dengan

Radius helix pada filamen konstan sedangkan pada flagela hook beragam. Sehingga dua jenis radius helix, yang bisa dimasukan ke dalam gaya resistans diatas, tergantung dari

peninjauannya, untuk hook atau untuk filamen

Untuk filamen A = rh, sedangkan untuk hook, A = , dengan ,

= panjang dari hook, L adalah panjang dari sel, dan r adalah radius sel. Sedangkan dalam pencarian ds dapat dicari sebagai berikut:

√

2. Gaya-gaya Microrobot

(15)

∫

∫ ∫ )

3. Efisensi Micro-robot

Sedangkan effisiensi dari micro-robot dalam paper ini dapat dicari dengan membandingkan gaya dorong, total torsi, kecepatan micro-robot dan rotasi angularnya. Sehingga didapat formula sebagai berikut:

Dengan F = gaya dorong dari filamen, T = total torsi yang digenerasikan oleh robot, U = kecepatan microrobot,

Dalam papernya Subramanian, dijabarkan lebih lengkap mengenai pembagian torsi yang ada pada tubuh dan ekor yang ternyata mempengaruhi efesiensi suatu micro-robot.

Pernyataan efisiensi diatas berkolerasi dengan gambar dibawah ini dan persamaan dibawahnya:

Gambar 15 Skema mikro-robot (kiri) dan Gambar 16 elemen kecil dari variasi amplitudo helixnya(kanan).

Sehingga dapat dituliskan kembali sebagai berikut:

Dengan adalah torsi yang dihasilkan kepala microrobot (seandainya micro-robot itu memiliki gerakan torsional), sedangkan dihasilkan oleh flagelanya

(16)

*

+

ds

,

dan √ ( )

Dalam persamaan diatas, V kecepatan steady micro-robot, Vx adalah kecepatan ke arah yang

dituju microrobot, sedangkan adalah kecepatan translasional.

(17)

IV. ANALISIS KETEKNIKAN DARI SISTEM MICROROBOT 1. Permodelan Bilangan Reynolds dan Micro Fluida

Bilangan Reynolds terdefinisi sebagai rasio gaya inersia terhadap gaya viskos dan karakteristik aliran fluidanya.[2] Sehingga Re yang dapat dirumuskan sebagai

Sebenarnya didapat dari

Dengan penjabaran:

Dalam teori nanofluida, dan memiliki rasio perbandingan yang sangat jauh. sangatlah kecil dalam nanofluida hal itu dikarenakan berukuran sangat kecil. Sehingga jika dibandingkan keduanya, nilai perbandingan keduanya setara dengan nilai 0,001 pada umumnya.

(18)

Menurut analisis penulis, akan lebih mudah memahami aliran nanofluida dapat didekatkan dengan asumsi bahwa aliran dalam tubuh manusia (sebagai target aliran micro-robot) adalah aliran steady state dan laminar, sehingga persamaan dasar navierstokes didapat seperti ini:

⃗

⃗ (1)

Persamaan Stokes diatas (persamaan 1) untuk aliran fluida yang inkompresible itu sangat cocok dimodelkan dalam dinamika fluida pada flagella based microrobot ini dikarenakan nilai dari dan sangatlah kecil.

Dalam rangka mencari gaya friksi yang ada pada micro-robot saat ia berenang di dalam fluida, dapat tergambar dalam persamaan Newton gaya friksi:

(19)

Gambar 13. Penjabaran vektor dalam gerakan heliks flagella

Menurut analisis penulis, seandainya flagela itu bergarak menuju arah sumbu z, maka seharusnya diperlukan gaya yang berlawanan arah (kearah –z), sebagai gaya pendorong. Gaya tersebut sebenarnya tidaklah murni ke arah –z, melainkan dia kearah –z dengan di setiap titik vektornya memiliki perbedaan lokasi terhadap sumbu y. Gaya pada bidang x, dan y sudah saling menghilangkan satu sama lain karena bentuknya yang melingkar-lingkar, sehingga resultan gaya pada bidang xy adalah nol. Sedangkan pada gaya yang dihasilkkan sejajar dengan sumbu z tidaklah nol. Hal itu disebabkan adanya gaya dorong yang dihasilkan sejajar dengan arah flagela berputar. Padahal arah flgela tersebut dalam realitanya tergambar secara tiga dimensi bidang x,y dan z. Gaya tersebut jika dijabarkan secara vektor akan menghasilkan gambar 13 (b), dengan adanya gaya yang ke arah z, walau masih dalam vektor sisi miring. Sedangkan gaya yang murni kearah +znya dapat dicari menggunakan teorema phytagoras (pembelajaran vektor).

2. Analisis Mekanika Gaya Micro-robot

Perumusan gaya pada micro-robot berflagela yang sudah dijabarkan dalam bab sebelumnya dalam pembahasan gaya RFT, dan gaya dorong pada micro-robot Setelah itu penulis dapat menganalisis bahwa ada kaitannya antara gaya total yang bekerja pada micro-robot nantinya dapat dituliskan seperti berikut:

Micro-robot tersebut berenang dalam sebuah fluida, yang mana berbilangan reynolds rendah dan memiliki nilai gaya inersia yang dapat diabaikan (karena terlalu kecil dibanding gaya geseknya). Dari pernyataan itu, didapatlah bahwa gaya dorong dari micro-robot ini memiliki salah satu penghambat yang bernama gaya friksi. Gaya friksi ini besar dan tidak bisa diabaikan, sehingga total gaya yang dihasilkan senilai dengan gaya dorong yang dihasilkan motor akan dikurangi oleh gaya friksi,

(20)

∫

Dari gambar 14, sudut-sudut bisa menjabarkan Vn dan Vt dalam u, sehingga profil kecepatan, Vn, dan Vt menjadi

Maka dari itu total gaya dorong akan menjadi:

∫

Dari persamaan total gaya diatas, didapat bahwa pengaruh sudut sebenarnya tidaklah ada terhadap gaya dorong. Tetapi lain halnya dengan sudut b`yang ada menggambarkan kemiringan lengkung heliks. Ia memiliki pengaruh terhadap gaya.

b

Jika dituliskan dalam persamaan sudut b maka, didapat rumus berikut:

∫

(21)

semakin b itu mendekati 90o, akan semakin banyak sinusoidal heliks yang tercipta dengan panjang L tetap.

Panjang hook dalam gambar 14, sebenarnya berpengaruh pada pengintegeralan gaya dorong flagela. Hal itu disebabkan hook dari flagela menghasilkan gaya dorong helix untuk micro-robot. Sebenarnya pengaruh itu terlihat sama karena rumus gaya dorong pada hook hampir sama dengan gaya dorong pada filament flagela. Hanya saja batasnya dibatasi sampai batas maksimal panjang hook, dan nilai A nya berubah terhadap sumbu x (jika pada gambar 14). Hal itu dapat dicari dengan pengintegeralan, lalu ditotalkan ke gaya dorong filament.

Akan tetapi percuma saja memperpanjang hook untuk meningkatkan gaya dorong dari micro-robot, hal itu dikarenakan jika dibandingkan dengan gaya dorong dari filamen. Lebih baik kita memperpanjang filamen dan memperkecil sudut kemiringan dari filament (sudut b) untuk memperbanyak gaya dorong berkali lipat, daripada harus memperpanjang hook yang justru menghasilkan gaya dorong kecil dan lebih rumit fabrikasinya karena A pada hook beragam. Inilah kunci pembuat sebagai engineer, yaitu harus memahami hal-hal ini untuk meningkatkan efisiensi dan kehandalan micro-robot. Demikianlah analisis keteknikan dari penulis tentang micro-robot berflagela,

Dalam penggunaan micro-robot sebenarnya juga perlu diperhatikan bahwa beberapa target dari micro-robot adalah objek bergerak, sisanya adalah objek tidak bergerak. Khusus target yang diam (contohnya: organ di tubuh manusia), micro-robot dapat dikendalikan dengan mudah dibandingkan harus mengincar target-target yang juga bergerak (misalkan:beberapa sel-sel kanker dalam darah). Berdasarkan analisis tekniknya, diperlukan juga analisis secara biologis untuk mengetahui seberapa lama kira-kira micro-robot itu sampai di target yang diam. Dengan t= d/(v + vd), dengan d adalah panjang pembuluh darah dari tempat penyuntikan ke objek, v

adalah perkiraan kecepatan dari micro-robot yang telah dibuat, dan vd adalah kecepatan alir

darah. Agar lebih menghemat energi pada micro-robot, sebaiknya, saat ia mengikuti aliran darah, motor pada micro-robot dibiarkan diam, sehingga v + vd akan senilai dengan vd. Barulah pada

(22)

V. Kesimpulan

Flagela-Based Micro-robot adalah salah satu micro-robot yang sangat dibutuhkan keberadaannya.. Dari segala fungsinya yang sudah terjabar, flagela-based micro-robot sangat dibutuhkan dalam perkembangan penyembuhan medis yang non-traumatic. Dengan adanya penyembuhan dengan memanfaatkan Flagela-Based Micro-robot ini, akan sangat menguntungkan bagi para pasien di masa mendatang.

Pertanyaan yang paling besar dalam paper ini mungkin mengapa haruslah Flagela-Based Micro-robot yang digunakan pada umumnya di bidang medis. Dalam paper Gabor Kosa [5P], dinyatakan bahwa sistem pergerakan flagela adalah sistem pergerakan yang paling sederhana dalam pergerakan suatu organisme. Selain itu penelitian dari John Singleton[8P] juga sudah menunjukan bahwa motor yang heliks dari flagela adalah motor yang memiliki gaya dorong yang besar. Itulah kedua alasan kuat mengapa flagela menjadi dasar pergerakan micro-robot.

Melalui paper ini, telah dijabarkan persamaan-persamaan dasar dari gerakan flagela, apa saja hal-hal keteknikan yang mempengaruhi gerakan flagela, dan sedikit penjelasan beberapa bagian-bagian dari flagela. Hal itu telah membuktikan bahwa sesungguhnya flagela –based micro-robot adalah salah satu mikro-robot yang sederhana dengan perhitungan yang sederhana.

Flagela based micro-robot ini ternyata memiliki sisi unik tertentu mengenai kualitas kerjanya. Dari penganalisisan vektor gayanya, dapat diketahui bahwa gaya dorong itu terbagi dua jenis, yaitu gaya pada filamen dan hook. Gaya filamen adalah gaya dorong utama, sedangkan hook gaya dorong yang bersifat minor. Dalam artian, bahwa dalam rangka meningkatkan gaya dorong yang jauh lebih besar, pembuat harus lebih mengutamakan memanjangkan filamen, karena akan lebih mudah dibandingkan mendapatkan gaya dorong kecil dengan memanjangkan hook dalam jumlah sama. Selain itu sudut dari kemiringan filamen juga berpengaruh pada gaya dorong hook, dengan nilai sudut maksimal 90o. Dengan mengetahui analisis keteknikan ini, nantinya dapat dikembangkan penggunaan micro-robot ini di Indonesia.

(23)

Studi Literatur

Sumber Artikel (kode A):

1. Peyer, Kathrin E. dkk Bio-inspired Helical Swimming Microrobot

http://www.iris.ethz.ch/msrl/research/current/helical_swimmers/ IRIS-Institute of Robotics and Intelligents System.

(diakses pada 25 September 2013 20:13)

2. Anonymous.http://nanolab.me.cmu.edu/projects/swimming/

3. Anonymous.http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=4762777

4. Anonymous.

http://ieeexplore.ieee.org/xpl/mostRecentIssue.jsp?punumber=4753967&sortType%3Da sc_p_Sequence%26filter%3DAND%28p_IS_Number%3A4762753%29&pageNumber=2

5. Anonymous. http://www.technovelgy.com/ct/Science-Fiction-News.asp?NewsNum=845

6. Anonymous. http://en.wikipedia.org/wiki/Microbotic

7. Anonymous. http://metodeilmiah.com/fungsi-flagel

8. Dr. Hongsoo Choi. http://www.me.vt.edu/Seminar/09-27-13_Hongsoo_Choi.html (diakses pada 30 September 2013 13:48)

Sumber Presentasi (kode Pr):

1. Sylvain M. “Controlled Micro-assembly and Transport nano- and microcomponent using

Bacteria”. Canada,

Sumber Paper (kode P) :

(24)

2. B. Behkam, M. Sitti, “Design Methodology for biomemitic propulsion of miniature

Swimming Robots,” J. Dynamic Systems Measurement and Control, Vol. 128, pp.l36-43, 2006.

3. Taheri, Arash. dkk. “A Numerical Strategy to Design Maneuverable Micro-Biomedical Swimming Robots Based on Biomimetic Flagellar Propulsion”. World Academy of Science. 2009.

4. Li, Yajuan. dkk. “Mathematics Modeling and Analysis of the Vascular Interventional Robot Propelled by Flagella” International Conference of Mechatronics and Automation. Nanjing, China.2012.

5. Kosa, Gabor. dkk. “Flagellar Swimming for Medical Micro Robots: Theory, Experiments and Application”.

6. D. J. Bell. dkk. “Flagella-like Propulsion for Microrobots Using a Nanocoil and a Rotating Electromagnetic Field”. International Conference of Robotic and Automation. Roma, Italy. 2007

7. Ye, Zhou. dkk. “Rotating Magnetic Miniature Swimming Robots With Multiple Flexible Flagella”

8. Singleton, John. dkk. “Micro-Scale Propulsion using Multiple Flexible Artificial Flagella”.

9. Erin, Onder, dkk. “Bio-Inspired Micro Robots Swimming in Channels” Istanbul, Turkey. 10.Hiroyuki, Matsuura. dkk. “Biological Model of Flagella Motor”. Japan.

11.Subramanian.S dkk. “Design and Analysis of Helical Flagella Propelled Nanorobots”.

International Conference of Micro/Nano Engineered andMolocular System in Shenzhen, Cina. India.2009

12.Washizu, Masao. dkk. “Orientation and Transformation of Flagella in Electrostatic Field”. Utsunomiya. Japan.

13.Martel, Sylvain.“Flagellated Bacterial Nanorobots for Medical Interventions in the Human Body”.USA. 2008.

14.R. E Johnson. “A Cimparison between Resistive Force Theory and Slender body theory” 15.Katherine E. P. dkk. “Movement of Artificial Bacterial Flagella in Heterogeneous

Viscous Environments at the Microscale”.

16.Fatma Z. T. dkk. “Simulation-based analysis of micro-robots swimming at the center and near the wall of circular mini-channels”.Springer.2012.

Sumber Buku (kode B):

1. Nelson, Phillip. Draft of “Biological Physics:Energy, Information, Life”. 2002

(25)