باحثون يبتكرون روبوتات متناهية الصغر تتحرك بفضل الموجات فوق الصوتية
طور باحثون من ETH Zurich روبوتاً صغيراً يحاكي حركة يرقة نجم البحر. يتحرك الروبوت بفعل الموجات الصوتية، ويحتوي على أهداب دقيقة توجّه السائل من حوله، كما يحدث في النموذج الطبيعي الذي استوحى منه. وفي المستقبل، يمكن لهذه الكائنات الدقيقة السابحة أن توصل الأدوية إلى الخلايا المريضة بدقة عالية جداً.
تجذب الروبوتات متناهية الصغر اهتمام كثير من الباحثين منذ زمن طويل. وقد توفر هذه التقنيات في نهاية المطاف تطبيقات عديدة، منها وظائف مفيدة عدة في مجال الرعاية الصحية. ويُذكر كثيراً في هذا السياق توصيل الأدوية إلى أهداف محددة وإجراءات الجراحة الدقيقة.
تُعد الحركة من أكبر التساؤلات التي تطرحها هذه التقنيات. فعلى وجه الخصوص، كيف يمكن لمهندسي الروبوتات أن يجعلوا الأجهزة الصغيرة تتحرك دون بطاريات أو تقنيات أخرى مدمجة فيها. والمغناطيس اقتراح شائع إلى حد ما، لكن فريق ETH Zurich يدرس حلاً مختلفاً تماماً، وهو الموجات فوق الصوتية.
صُنعت روبوتات يقل حجمها عن شعرة الإنسان باستخدام الطباعة الضوئية. وهي مغطاة بنسخ اصطناعية من الأهداب التي تغطي يرقات نجم البحر. وفي المثال الحيوي، تحرك هذه البنى الشبيهة بالشعر فائقة الرقة الماء المحيط وفق أنماط تُنشئ دوامات صغيرة، فتدفع يرقات نجم البحر عبر السائل. وفي الواقع، يدفع النظام الماء أو يسحبه.
«للوهلة الأولى، لا تشبه الروبوتات متناهية الصغر يرقة نجم البحر كثيراً. ففي مرحلة اليرقة، يكون لنجم البحر جسم فصّي لا يتجاوز عرضه بضعة ملليمترات. أما الروبوت الصغير فهو متوازي مستطيلات أصغر عشر مرات، إذ لا يتجاوز عرضه ربع ملليمتر. لكن لديها ميزة مهمة، وهي صف من الأهداب الرفيعة المتحركة على السطح، وتُسمى الأهداب»، بحسب ما أفاد الباحثون.
كانت هذه الأهداب عنصراً أساسياً في تصميم الروبوت الصغير الجديد، الذي طوره باحثو ETH بقيادة دانيال أحمد، أستاذ الروبوتات الصوتية لعلوم الحياة والرعاية الصحية. «أردنا في البداية أن نختبر ببساطة ما إذا كنا نستطيع إنشاء دوامات تشبه دوامات يرقات نجم البحر، مع صفوف من الأهداب مائلة نحو بعضها البعض أو في اتجاهات مختلفة»، قال أحمد.
«تُغطى يرقة نجم البحر بمئات الآلاف من هذه الشعيرات. وهي مرتبة في صفوف، تتحرك بتنسيق للأمام والخلف، فتُنشئ دوامات في الماء المحيط. ويحدد الاتجاه النسبي للصفين النتيجة النهائية: فإمالة شريطي الخفقان نحو بعضهما تنشئ دواماً ذا تأثير دافع يدفع اليرقة إلى الأمام. أما إبعاد الشريطين عن بعضهما فينشئ دواماً يسحب السائل ويلتقط الجزيئات التي تتغذى عليها اليرقة»، أفاد باحثو ETH Zurich.
يؤكد الفريق أنه تمكن من إنتاج قوة دفع مماثلة في روبوتاته الصغيرة، باستخدام موجات فوق صوتية تتيح لها السباحة في خط مستقيم. والأجسام التي تُرى حول الروبوت في الصور والفيديوهات التي قدمها العلماء هي كريات بلاستيكية دقيقة أضيفت إلى الماء لإظهار طريقة حركته حوله.
أظهر الباحثون في مختبرهم أن الروبوتات متناهية الصغر تستطيع السباحة في خط مستقيم عبر السوائل، مثل الماء. وأتاح إضافة كريات بلاستيكية صغيرة إلى الماء تصوير الدوامات. والنتيجة مدهشة، إذ تُنتج يرقات نجم البحر والأجهزة نمط تدفق متطابقاً تقريباً.
ثم رتّب الباحثون الأهداب بحيث تقع دوامة الشفط بجوار دوامة الدفع، محاكين تقنية التغذية التي تستخدمها يرقة نجم البحر. وأتاح هذا الترتيب للروبوتات التقاط الجزيئات وإرسالها في الاتجاه المحدد.
يعتقد أحمد أن هذا النوع الجديد من الروبوتات متناهية الصغر سيكون جاهزاً للاستخدام في الطب في المستقبل المنظور. ويرجع ذلك إلى أن نظاماً يعتمد على الموجات فوق الصوتية وحدها يتمتع بمزايا حاسمة، فالموجات فوق الصوتية مستخدمة على نطاق واسع في التصوير، وتخترق الجسم بعمق، ولا تشكل خطراً على الصحة.
«رؤيتنا هي استخدام الموجات فوق الصوتية للحركة والتصوير وتوصيل الأدوية»
إن حقيقة أن هذا العلاج يتطلب جهازاً بالموجات فوق الصوتية فقط تجعله رخيصاً، ومن ثم مناسباً للاستخدام في الدول المتقدمة والنامية على حد سواء.
يُعد توصيل الأدوية التطبيق الأكثر نقاشاً في هذه الحالة، وبخاصة إمكانية إيصال الدواء مباشرة إلى موضع محدد مثل ورم في المعدة. وقد يتيح ذلك استخدامه بفعالية أكبر وتقليل آثاره الجانبية المحتملة. أما انتشار الأدوية التقليدية عبر الانتشار فغير فعال.
«لكن قبل أن تتحقق هذه الرؤية، لا تزال هناك مشكلة كبيرة يجب التغلب عليها، وهي التصوير. فلتوجيه الآلات الصغيرة إلى المكان المطلوب، يجب أن تُنشأ صورة واضحة في الوقت الفعلي. ولدى الباحثين خطط لجعل الروبوتات متناهية الصغر أكثر وضوحاً، عبر إضافة مواد تباين مثل تلك المستخدمة بالفعل في التصوير الطبي بالموجات فوق الصوتية»، بحسب ما أفاد الباحثون.
إضافة إلى التطبيقات الطبية، يتوقع أحمد أن يكون هذا التصميم المستوحى من نجوم البحر ذا أهمية كبيرة في معالجة كميات ضئيلة من السوائل في البحوث والصناعة. ويمكن لشرائط الخفقان أن تؤدي مهام مثل الخلط والضخ والتقاط الجزيئات.
