Des chercheurs ont créé de minuscules robots qui se déplacent grâce aux ultrasons
Des chercheurs de l'ETH Zurich ont mis au point un minuscule robot qui imite le mouvement de la larve d'étoile de mer. Il est propulsé par des ondes sonores et équipé de minuscules cils qui dirigent le liquide autour de lui, comme c'est le cas pour son modèle naturel. À l'avenir, ces micro-nageurs pourraient délivrer des médicaments à des cellules malades avec une précision extrême.
Les micro-robots attirent depuis longtemps de nombreux chercheurs. Ces technologies pourraient finalement offrir de nombreuses applications, notamment plusieurs usages utiles dans le domaine de la santé. On cite souvent l'administration ciblée de médicaments et les procédures de microchirurgie.
La mobilité est l'une des plus grandes questions posées par ce type de technologies. En particulier, comment les roboticiens peuvent-ils faire bouger de minuscules dispositifs sans batteries ni autres technologies embarquées. Les aimants sont une proposition assez courante, mais l'équipe de l'ETH Zurich explore une solution tout à fait différente : les ultrasons.
Des robots mesurant moins qu'un cheveu humain ont été fabriqués par photolithographie. Ils sont recouverts de versions synthétiques des cils qui couvrent les larves d'étoiles de mer. Dans l'exemple biologique, ces structures ultra-fines ressemblant à des poils agitent l'eau environnante selon des motifs qui créent de petits tourbillons, faisant avancer les larves d'étoiles de mer à travers le liquide. En pratique, le système pousse l'eau ou l'aspire.
« À première vue, les micro-robots ressemblent peu à la larve d'étoile de mer. Au stade larvaire, l'étoile de mer a un corps lobé d'à peine quelques millimètres de diamètre. Le micro-robot, quant à lui, est un rectangle dix fois plus petit, d'à peine un quart de millimètre de diamètre. Mais ils ont une caractéristique importante : une rangée de fins poils mobiles à la surface, appelés cils », ont indiqué les chercheurs.
Ces cils ont été l'élément clé de la conception du nouveau micro-robot, développé par des chercheurs de l'ETH dirigés par Daniel Ahmed, professeur de robotique acoustique pour les sciences du vivant et la santé. « Nous voulions d'abord simplement vérifier si nous pouvions créer des tourbillons semblables à ceux des larves d'étoiles de mer, avec des rangées de cils inclinés les uns vers les autres ou dans des directions différentes », a expliqué Ahmed.
« La larve d'étoile de mer est recouverte de centaines de milliers de ces poils. Disposés en rangées, ils se déplacent de manière coordonnée d'avant en arrière, créant des tourbillons dans l'eau environnante. L'orientation relative des deux rangées détermine le résultat final : l'inclinaison de deux bandes de battement de cils l'une vers l'autre crée un tourbillon à effet de poussée, qui fait avancer la larve. En revanche, l'écartement des deux bandes crée un tourbillon qui aspire le liquide et capture les particules dont se nourrit la larve », ont souligné les chercheurs de l'ETH Zurich.
L'équipe affirme être parvenue à créer une force de propulsion similaire dans ses minuscules robots, en appliquant des ondes ultrasonores qui leur permettent de nager en ligne droite. Les objets visibles autour du robot sur les photos et vidéos fournies par les scientifiques sont de minuscules billes de plastique ajoutées à l'eau pour montrer comment elle se déplace autour du robot.
Dans leur laboratoire, les chercheurs ont montré que les micro-robots peuvent nager en ligne droite dans un liquide, par exemple l'eau. L'ajout de minuscules billes de plastique dans l'eau a permis de visualiser les tourbillons. Le résultat est frappant : la larve d'étoile de mer et les dispositifs génèrent un régime d'écoulement pratiquement identique.
Les chercheurs ont ensuite disposé les faisceaux de cils de manière à ce que le tourbillon d'aspiration se trouve à côté du tourbillon de poussée, imitant la technique d'alimentation de la larve d'étoile de mer. Cette disposition a permis aux robots de collecter des particules et de les envoyer dans une direction donnée.
Ahmed est convaincu que ce nouveau type de micro-robots sera prêt pour des applications médicales dans un avenir proche. En effet, un système reposant uniquement sur les ultrasons présente des avantages décisifs : les ondes ultrasonores sont déjà largement utilisées pour l'imagerie, pénètrent profondément dans le corps et ne présentent aucun danger pour la santé.
« Notre vision est d'utiliser les ultrasons pour le mouvement, l'imagerie et l'administration de médicaments »
Le fait que cette thérapie ne nécessite qu'un appareil à ultrasons la rend bon marché et donc adaptée à une utilisation aussi bien dans les pays développés que dans les pays en développement.
L'administration de médicaments est l'application la plus largement évoquée dans ce cas, en particulier la possibilité de délivrer un médicament directement à un site précis, comme une tumeur de l'estomac. Cela peut permettre de l'utiliser plus efficacement et de réduire les effets secondaires potentiels. La diffusion classique des médicaments par diffusion passive est peu efficace.
« Mais avant que cette vision puisse se concrétiser, il reste un sérieux défi à relever : l'imagerie. Pour guider les minuscules machines vers le bon endroit, il faut qu'une image nette soit générée en temps réel. Les chercheurs prévoient de rendre les micro-robots plus visibles en ajoutant des agents de contraste, comme ceux déjà utilisés en imagerie médicale par ultrasons », ont indiqué les chercheurs.
Outre les applications médicales, Ahmed s'attend à ce que cette conception inspirée des étoiles de mer joue un rôle important pour manipuler de très petits volumes de liquide dans la recherche et l'industrie. Les bandes de battement des cils peuvent accomplir des tâches telles que le mélange, le pompage et la capture de particules.
