Onderzoekers van de North Carolina State University en Duke University hebben een manier ontwikkeld om kleine structuren gemaakt van microscopisch kleine kubussen - "microbotorigami" - te assembleren en voor te programmeren om hun vorm te veranderen wanneer ze worden geactiveerd door een magnetisch veld en vervolgens, gebruikmakend van de magnetische energie uit hun omgeving, een verscheidenheid aan taken uitvoeren - inclusief het vastleggen en transporteren van afzonderlijke cellen.

De bevindingen, vandaag gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , de weg vrijmaken voor microbots en micro-origami-assemblages die kunnen dienen als hulpmiddelen voor celkarakterisering, vloeibare micromixers, en componenten van kunstmatige spieren en zachte biomimetische apparaten.

"Dit onderzoek gaat over een actueel onderwerp - actieve deeltjes die energie uit hun omgeving halen en omzetten in gerichte beweging, " zei Orlin Velev, INVISTA Professor of Chemical and Biomolecular Engineering bij NC State en co-corresponderende auteur van het artikel.

Om de microbot-origami te maken, de onderzoekers begonnen met microscopisch kleine polymeerblokjes die aan één kant metaalachtig zijn, waardoor de metalen kant in wezen als een magneet kan werken. Afhankelijk van hun positionering, de kubussen kunnen op veel verschillende manieren worden samengesteld.

"Omdat ze gemagnetiseerd zijn en op elkaar inwerken, de kubussen slaan energie op, Velev zei. "Kleine deeltjes in de vorm van kubussen kunnen aan elkaar hechten in sequenties waarbij ze in verschillende richtingen gericht zijn om te maken, bijvoorbeeld, clusters die zich gedragen als een kleine Pac-Man:je kunt ze openen door een magnetisch veld aan te leggen en ze vervolgens laten sluiten door het magnetische veld uit te schakelen. Ze sluiten omdat ze de opgeslagen magnetische energie vrijgeven. Dus, je injecteert interne energie elke keer dat je de microclusters opent en laat het vrij wanneer ze sluiten."

De onderzoekers gaven de kleine Pac-Man vervolgens een specifieke taak:het vangen van een levende cel, in dit geval een gistcel. De microbot vormde een boxy-vorm en, door zijn openings- en sluitbewegingen, "zwommen" om de gistcel te omringen. De onderzoekers schakelden vervolgens het magnetische veld uit dat het vouwen van de microbot regelde om de gistcel te vangen, verplaatst en uiteindelijk vrijgegeven.

"We hebben hier een prototype van een zelfvouwende microbot laten zien, "Velev zei, "die kan worden gebruikt als een microtool om de reactie van specifieke soorten cellen te onderzoeken, zoals kankercellen, bijvoorbeeld."

"Eerder gerapporteerde microrobotstructuren waren beperkt tot het uitvoeren van eenvoudige taken zoals het duwen en doordringen van objecten vanwege hun stijve lichamen. De mogelijkheid om de dynamische herconfiguratie van onze microbot op afstand te besturen, creëert een nieuwe 'gereedschapskist' voor het manipuleren van objecten op microschaal en interactie met zijn micro-omgeving , " zei Koohee Han, een doctoraat kandidaat bij NC State en eerste auteur van het artikel.

"Terwijl de microbot vouwt, het kan vloeistoffen of vaste stoffen comprimeren en u kunt het gebruiken als een hulpmiddel om mechanische eigenschappen in bulk te meten, zoals stijfheid, " zei Wyatt Shields, een postdoctoraal onderzoeker aan de Duke University en NC State University die co-auteur was van het artikel. "In sommige opzichten, het is een nieuw metrologisch hulpmiddel om de elasticiteit op microscopisch niveau te meten."

De auteurs zeggen dat het ontwerp van microbot-origami de natuur nabootst. "De kubusreeks programmeert de vormen van de vouwende microbots. Eiwitten werken op dezelfde manier, " zei Shields. "De volgorde van aminozuren in een eiwit zal bepalen hoe het vouwt, net zoals de volgorde van kubussen in onze microbot bepaalt hoe hij vouwt."

Velev zegt dat toekomstig werk zich zal concentreren op het zelfstandig laten bewegen van de deeltjes. in plaats van ze te sturen met magnetische velden. Han werkt aan het maken van bots die zichzelf voortbewegen in complexe vloeistoffen met niet-Newtoniaans gedrag. Shields bestudeert hoe de dynamiek van het hervormen van microbots kan worden gebruikt om de microstructuur van omringende macromoleculen te bestuderen.