Team skaber mikrorobotter drevet af luftbobler og ultralyd

Nogle ingeniører finder inspiration i mekanikken bag fugleflyvning og biredernes arkitektur. Andre tænker meget mindre.

Et hold ledet af Mingming Wu, professor i biologisk og miljømæssig teknik ved Cornell University College of Agriculture and Life Sciences, skabt robotter i cellestørrelse, der kan drives og styres af ultralydsbølger. På trods af deres lille størrelse, disse mikrorobotiske svømmere – hvis bevægelser var inspireret af bakterier og sæd – kunne en dag blive et formidabelt nyt værktøj til målrettet medicinafgivelse.

Holdets papir, "Biologisk inspirerede mikrorobotiske svømmere fjernstyret af ultralydsbølger, " offentliggjort 22. september i Lab on a Chip , en udgivelse af Royal Society of Chemistry.

Avisens hovedforfatter er den tidligere postdoc-forsker Tao Luo.

I mere end et årti, Wus laboratorium har undersøgt, hvordan mikroorganismer, fra bakterier til kræftceller, migrere og kommunikere med deres omgivelser. Det ultimative mål var at skabe en fjernstyret mikrorobot, der kunne navigere i menneskekroppen.

"Vi kan lave fly, der er bedre end fugle i dag. Men i den mindste skala, der er mange situationer, hvor naturen har det meget bedre end os. Bakterie, for eksempel, har haft milliarder af års evolution for at perfektionere deres måde at gøre tingene på, " sagde Wu. "Det fik os til at tro, at vi faktisk kan konstruere noget lignende. Hvis du kan sende medicin til et målområde, som kræftceller, så får du ikke så mange bivirkninger."

Blandt deres mere geniale egenskaber er det faktum, at bakterier kan svømme 10 gange deres kropslængde på et sekund, og sædceller kan svømme mod strømmen, sagde Wu.

Wus forskerhold forsøgte oprindeligt at designe og 3D-printe en mikrorobot, der efterlignede den måde, bakterier bruger flagellum til at drive sig selv. Imidlertid, som de tidlige flyvere, hvis besværlige flyvemaskiner var for fugleagtige til at flyve, den indsats kollapsede. Da Luo sluttede sig til Wus laboratorium, de begyndte at udforske en mindre bogstavelig tilgang. Den primære forhindring var, hvordan den skulle drives. Som en person skal kravle, før de kan gå, en mikrorobot skal have strøm, før den kan svømme.

"Bakterier og sædceller forbruger grundlæggende organisk materiale i den omgivende væske, og det er nok til at drive dem, " sagde Wu. "Men for konstruerede robotter er det svært, fordi hvis de bærer et batteri, det er for tungt til, at de kan bevæge sig."

Holdet fik ideen om at bruge højfrekvente lydbølger. Fordi ultralyd er stille, det kan nemt bruges i eksperimentelle laboratoriemiljøer. Som en ekstra bonus, teknologien er blevet anset for sikker til kliniske undersøgelser af U.S. Food and Drug Administration.

Imidlertid, holdet var chokeret over fabrikationsprocessen. Arbejder med Cornell NanoScale Science and Technology Facility (CNF), Luo forsøgte at skabe en prototype med fotolitografi, men det var tidskrævende, og resultaterne var ubrugelige.

Projektet fik et afgørende løft, da CNF købte et nyt laserlitografisystem kaldet en NanoScribe, som skaber 3D-nanostrukturer ved direkte-skrivning på en lysfølsom harpiks. Teknologien gjorde det muligt for forskerne nemt at justere deres designs på mikrometerskalaen og hurtigt producere nye iterationer.

Inden for seks måneder, Luo havde skabt en trekantet mikrorobotsvømmer, der ligner et insekt krydset med et raketskib. Svømmerens vigtigste egenskab er et par hulrum ætset i ryggen. Fordi dets harpiksmateriale er hydrofobt, når robotten er nedsænket i opløsning, en lille luftboble fanges automatisk i hvert hulrum. Når en ultralydstransducer er rettet mod robotten, luftboblen svinger, generere hvirvler – også kendt som streaming flow – der driver svømmeren fremad.

Andre ingeniører har tidligere bygget "single bubble" svømmere, men Cornell-forskerne er de første til at bane vejen for en version, der bruger to bobler, hver med en åbning med forskellig diameter i deres respektive hulrum. Ved at variere lydbølgernes resonansfrekvens, forskerne kan excitere enten bobler - eller tune dem sammen - og derved styre, hvilken retning svømmeren drives frem.

Udfordringen forude bliver at gøre svømmerne biokompatible, så de kan navigere blandt blodceller, der er nogenlunde den størrelse, som de er. Fremtidige mikrosvømmere skal også bestå af biologisk nedbrydeligt materiale, så mange bots kan afsendes på én gang. På samme måde som kun en enkelt sæd skal have succes for befrugtning, lydstyrken er nøglen.

"Til medicinafgivelse, du kunne have en gruppe mikrorobotsvømmere, og hvis en fejlede under rejsen, det er ikke et problem. Sådan overlever naturen, " sagde Wu. "På en måde, det er et mere robust system. Mindre betyder ikke svagere. En gruppe af dem er uovervindelige. Jeg føler, at disse naturinspirerede værktøjer typisk er mere bæredygtige, fordi naturen har bevist, at den virker."