Geïnspireerd door biologie en de speelgoedplank, onderzoekers van de Thayer School of Engineering aan het Dartmouth College en de City University of Hong Kong hebben een zwemrobot ontwikkeld met een lichtgestuurde cellulaire motor die zeer gerichte medicijnafgifte kan uitvoeren.

Onderzoekers combineerden cardiale tissue engineering, een 3D-geprinte vleugelstructuur en een lichtgevoelige gel om de zachte robot met start-stop-mogelijkheid te produceren. Het schakelbare apparaat verandert van vorm wanneer het wordt blootgesteld aan huidpenetrerend nabij-infrarood licht, waardoor het door vloeistofomgevingen zoals de menselijke bloedstroom rijdt en remt.

Het transformeerbare apparaat verbetert de bruikbaarheid van robots die zijn ontworpen om te werken in het menselijk lichaam en andere onconventionele werkomgevingen aanzienlijk.

Het onderzoeksteam van de City University of Hong Kong produceerde het originele robotontwerp en voerde de experimentele tests uit. Het Dartmouth-team voerde mechanische en numerieke analyses uit op het apparaat en stelde wijzigingen voor in ontwerpelementen zoals grootte en vorm.

"Met deze technologie kunnen we zachte transformeerbare robots maken met ongekende wendbaarheid, " zei Zi Chen, een assistent-professor in de techniek bij Thayer. "Onze inspiratie kwam van transformeerbaar speelgoed met verschillende configuraties en functionaliteit. Het resultaat is geen speelgoed, het kan letterlijk het leven van mensen veranderen."

Levende organismen zijn in staat van vorm te veranderen om specifieke acties uit te voeren. Een egel krult zich ter verdediging op tot een bal. Vogels spreiden hun vleugels om te vliegen. Vleesetende planten zoals de venusvliegenvanger gaan open en dicht. De nieuwe studie maakt deel uit van een langetermijninspanning om robots te ontwikkelen die dit vormveranderende gedrag in de natuur nabootsen.

Effectief zijn, de nieuwe generatie robots moeten energiezuinig zijn en moeten kunnen reageren op verschillende soorten prikkels, zoals licht of warmte.

Hoewel er al voorbeelden van dit soort robots bestaan, onderzoekers hebben geworsteld om een ​​apparaat te maken dat vloeiend van vorm verandert, zodat het op verzoek kan starten en stoppen met bewegen. De meeste bestaande systemen zijn ook afhankelijk van temperatuurvariaties die moeilijk te stimuleren zijn in het menselijk lichaam vanwege de bijna constante temperatuur.

"De mogelijkheid om de beweging van de robot met licht te besturen, creëert een veel functioneler apparaat dat met hoge precisie kan worden bediend, " zei Xiaomin Han, een recente Ph.D. afgestudeerd aan het Chen Research Lab in Thayer.

De op afstand bestuurbare robot wordt aangedreven door een staartvin die de zwemactie van walvissen nabootst. De structuur werd 3D-geprint in de vorm van een vliegtuigvleugel en vervolgens bedekt met hartspiercellen. Op dezelfde manier dat hartspiercellen het hart continu laten kloppen, ze stuwen dit biohybride apparaat ook voort door een constante golvende actie.

Om de beweging van de robot te controleren, onderzoekers pasten lichtgevoelige hydrogels toe op de vleugels. Bij gebrek aan licht, de vleugels ontvouwen, waardoor de hartcellen het naar voren kunnen stuwen. Bij blootstelling aan licht, het zwevende vliegtuig trekt zijn vleugels in, waardoor het stopt.

"De hartspieren blijven karnen, maar ze zijn niet in staat de stopkracht van de vleugels te overwinnen, "zei Chen. "Het is alsof je het gaspedaal indrukt met de noodrem erop."

De hoge gevoeligheid van de robot voor nabij-infrarood licht zorgt voor een reactiesnelheid die een bijna onmiddellijke transformatie van de vleugelvorm mogelijk maakt, waardoor het zeer wendbaar is. In de studie, onderzoekers gebruikten de "ongekende bestuurbaarheid en responsiviteit" van de robot met zwevend vliegtuig als een vrachtschip om gerichte medicijnafgifte tegen kankercellen uit te voeren.

"We hebben letterlijk drugsbommen op kankercellen laten vallen, "zei Chen. "De realisatie van het transformeerbare concept effent een weg voor potentiële ontwikkeling van intelligente biohybride robotsystemen van de volgende generatie."

De biohybride robot kan in verschillende maten worden geproduceerd, van enkele millimeters tot tientallen centimeters. Een dergelijke schaalbaarheid geeft het een goede flexibiliteit om taken op zich te nemen die verband houden met navigatie en bewaking in moeilijke omgevingen.

Een studie die het onderzoek beschrijft, verscheen voor het eerst in het wetenschappelijke tijdschrift Klein eind maart.

In de huidige studie, onderzoekers controleren de start-stop-beweging van de hele robot door middel van licht. Toekomstig onderzoek zal licht gebruiken om afzonderlijke vleugels op de robot te richten, zodat deze met nog meer precisie kan worden bestuurd.

Dit onderzoek is uitgevoerd met Peng Shi en Bingzhe Xu van de City University of Hong Kong. Yuwei Hu en Chia-Hung Chen van de National University of Singapore en Yiming Luo van de Hubei University of Technology droegen ook bij aan het onderzoek.