Sommige ingenieurs vinden inspiratie in de mechanica van vogelvluchten en de architectuur van bijennesten. Anderen denken veel kleiner.

Een team onder leiding van Mingming Wu, hoogleraar biologische en milieutechniek aan het Cornell University College of Agriculture and Life Sciences, creëerde robots op celformaat die kunnen worden aangedreven en bestuurd door ultrasone golven. Ondanks hun kleine formaat, deze micro-robotzwemmers - wiens bewegingen werden geïnspireerd door bacteriën en sperma - zouden op een dag een formidabel nieuw hulpmiddel kunnen zijn voor gerichte medicijnafgifte.

De krant van het team, "Biologisch geïnspireerde micro-robotzwemmers op afstand bestuurd door ultrasone golven, " gepubliceerd op 22 september in Lab op een chip , een publicatie van de Royal Society of Chemistry.

De hoofdauteur van het artikel is voormalig postdoctoraal onderzoeker Tao Luo.

Al meer dan een decennium, Wu's lab heeft de manieren onderzocht waarop micro-organismen, van bacteriën tot kankercellen, migreren en communiceren met hun omgeving. Het uiteindelijke doel was om een ​​op afstand bestuurbare microrobot te maken die in het menselijk lichaam kan navigeren.

"We kunnen tegenwoordig vliegtuigen maken die beter zijn dan vogels. Maar op de kleinste schaal, er zijn veel situaties waarin de natuur het veel beter doet dan wij. bacteriën, bijvoorbeeld, miljarden jaren van evolutie hebben gehad om hun manier van doen te perfectioneren, " zei Wu. "Dat bracht ons ertoe te denken dat we iets soortgelijks kunnen ontwikkelen. Als u medicijnen naar een bepaald gebied kunt sturen, zoals kankercellen, dan heb je niet zoveel bijwerkingen."

Een van hun meer ingenieuze eigenschappen is het feit dat bacteriën in één seconde 10 keer hun lichaamslengte kunnen zwemmen en sperma tegen de stroom in kan zwemmen, zei Wu.

Het onderzoeksteam van Wu probeerde aanvankelijk een microrobot te ontwerpen en 3D-printen die de manier nabootste waarop bacteriën flagellum gebruiken om zichzelf voort te stuwen. Echter, zoals de vroege vliegeniers wiens omslachtige vliegtuigen te vogelachtig waren om te vliegen, die poging mislukte. Toen Luo bij Wu's lab kwam, ze begonnen een minder letterlijke benadering te verkennen. De belangrijkste hindernis was hoe het aan te drijven. Zoals een persoon moet kruipen voordat hij kan lopen, een microrobot moet worden geactiveerd voordat hij kan zwemmen.

"Bacteriën en sperma consumeren in principe organisch materiaal in de omringende vloeistof, en dat is voldoende om ze van stroom te voorzien, " zei Wu. "Maar voor gemanipuleerde robots is het moeilijk, want als ze een batterij dragen, het is te zwaar voor hen om te bewegen."

Het team kwam op het idee om hoogfrequente geluidsgolven te gebruiken. Omdat echografie stil is, het kan gemakkelijk worden gebruikt in een experimentele laboratoriumomgeving. Als extra bonus, de technologie is door de Amerikaanse Food and Drug Administration als veilig beschouwd voor klinische onderzoeken.

Echter, het team was stomverbaasd door het fabricageproces. Werken met de Cornell NanoScale Science and Technology Facility (CNF), Luo probeerde een prototype te maken met fotolithografie, maar het kostte veel tijd, en de resultaten waren onbruikbaar.

Het project kreeg een cruciale boost toen CNF een nieuw laserlithografiesysteem kocht, genaamd NanoScribe, die 3D-nanostructuren creëert door direct op een lichtgevoelige hars te schrijven. Dankzij de technologie konden de onderzoekers hun ontwerpen eenvoudig op micrometerschaal aanpassen en snel nieuwe iteraties produceren.

Binnen zes maanden, Luo had een driehoekige micro-robotzwemmer gemaakt die eruitziet als een insect gekruist met een raketschip. Het belangrijkste kenmerk van de zwemmer is een paar holtes die in zijn rug zijn geëtst. Omdat het harsmateriaal hydrofoob is, wanneer de robot is ondergedompeld in oplossing, in elke holte wordt automatisch een kleine luchtbel gevangen. Wanneer een ultrasone transducer op de robot wordt gericht, de luchtbel oscilleert, het genereren van draaikolken - ook bekend als stromende stroom - die de zwemmer voortstuwen.

Andere ingenieurs hebben eerder "single bubble" zwemmers gebouwd, maar de Cornell-onderzoekers zijn de eersten die een versie pionieren die twee bubbels gebruikt, elk met een opening met een verschillende diameter in hun respectievelijke holte. Door de resonantiefrequentie van de geluidsgolven te variëren, de onderzoekers kunnen beide bellen opwekken - of ze samen afstemmen - en bepalen zo in welke richting de zwemmer wordt voortgestuwd.

De uitdaging die voor ons ligt, is om de zwemmers biocompatibel te maken, zodat ze kunnen navigeren tussen bloedcellen die ongeveer zo groot zijn als ze zijn. Toekomstige microzwemmers zullen ook moeten bestaan ​​uit biologisch afbreekbaar materiaal, zodat veel bots tegelijk kunnen worden verzonden. Op dezelfde manier dat slechts één enkele zaadcel succesvol hoeft te zijn voor bevruchting, het volume staat centraal.

"Voor de levering van medicijnen, je zou een groep micro-robotzwemmers kunnen hebben, en als er een faalde tijdens de reis, dat is geen probleem. Zo overleeft de natuur, ' zei Wu. 'In zekere zin, het is een robuuster systeem. Kleiner betekent niet zwakker. Een groep van hen is onverslaanbaar. Ik heb het gevoel dat deze op de natuur geïnspireerde tools doorgaans duurzamer zijn, omdat de natuur heeft bewezen dat het werkt."