Исследователи создали крошечных роботов, которые двигаются благодаря ультразвуку
Исследователи из ETH Zurich разработали крошечного робота, который имитирует движение личинки морской звезды. Он приводится в движение звуковыми волнами и оснащен крошечными волосками, которые направляют жидкость вокруг него, как и в случае с его естественной моделью. В будущем такие микропловцы смогут доставлять лекарства к больным клеткам с очень высокой точностью.
Микророботы уже давно привлекают многих исследователей. Такие технологии в конечном итоге могут предоставить множество приложений, в том числе несколько полезных функций в здравоохранении. Часто упоминаются такие вещи, как адресная доставка лекарств и микрохирургические процедуры.
Мобильность — один из самых больших вопросов, которые возникают в связи с подобными технологиями. В частности, как робототехники могут заставить крошечные устройства двигаться без батарей и других технологий на борту. Магниты — довольно распространенное предложение, но команда ETH Zurich изучает совершенно другое решение — ультразвук.
Роботы размером меньше человеческого волоса были созданы с помощью фотолитографии. Они покрыты синтетическими версиями ресничек, покрывающими личинки морских звезд. В биологическом примере эти ультратонкие волоскоподобные структуры разбивают окружающую воду узорами, которые создают небольшие вихри, продвигая личинки морских звезд через жидкость. Фактически система либо выталкивает воду, либо втягивает ее.
«На первый взгляд микророботы мало похожи на личинку морской звезды. На личиночной стадии морская звезда имеет лопастное тело размером всего несколько миллиметров в поперечнике. Между тем микроробот представляет собой прямоугольник в десять раз меньше — всего четверть миллиметра в поперечнике. Но у них есть одна важная особенность — ряд тонких подвижных волосков на поверхности, называемых ресничками», — сообщили исследователи.
Эти реснички были ключевым элементом дизайна нового микроробота, разработанного исследователями ETH во главе с Дэниелем Ахмедом — профессором акустической робототехники для наук о жизни и здравоохранения. «Сначала мы просто хотели проверить, можем ли мы создать вихри, похожие на вихри личинок морской звезды, с рядами ресничек, наклоненными друг к другу или в разные стороны», — рассказал Ахмед.
«Личинка морской звезды покрыта сотнями тысяч этих волосков. Расположенные рядами, они скоординированно двигаются назад и вперед, создавая водовороты в окружающей воде. Относительная ориентация двух рядов определяет конечный результат: наклон двух полос биения ресничек друг к другу создает вихрь с толкающим эффектом, продвигающий личинку. С другой стороны, отклонение двух полос друг от друга создает вихрь, который втягивает жидкость и улавливает частицы, которыми питается личинка», — отметили в ETH Zurich.
Команда заявляет, что смогла создать аналогичную движущую силу в своих крошечных роботах, применив ультразвуковые волны, позволяющие им плавать по прямой. Объекты, которые видно вокруг робота на предоставленных учеными фотографиях и видео, представляют собой пластиковые микрошарики, добавленные в воду, чтобы продемонстрировать, как она движется вокруг робота.
В своей лаборатории исследователи показали, что микророботы могут плавать по прямой через жидкость, например воду. Добавление крошечных пластиковых шариков в воду позволило визуализировать вихри. Результат поразителен: личинки морской звезды и устройства создают практически идентичный режим потока.
Затем исследователи расположили цилиарные связки так, чтобы вихрь всасывания располагался рядом с вихрем толчка, имитируя технику кормления, используемую личинкой морской звезды. Такое расположение позволило роботам собирать частицы и отправлять их в заданном направлении.
Ахмед убежден, что этот новый тип микророботов будет готов к применению в медицине в обозримом будущем. Это связано с тем, что система, основанная только на ультразвуке, имеет решающие преимущества: ультразвуковые волны уже широко используются для визуализации, проникают глубоко внутрь тела и не представляют опасности для здоровья.
«Наше видение — использовать ультразвук для движения, визуализации и доставки лекарств»
Тот факт, что для этой терапии требуется только ультразвуковое устройство, делает ее дешевой и, следовательно, подходящей для использования как в развитых, так и в развивающихся странах.
Доставка лекарств — это наиболее широко обсуждаемое применение в этом случае, в частности возможность доставлять лекарство непосредственно к конкретному месту вроде опухоли желудка. Это может обеспечить его более эффективное использование и снизить потенциальные побочные эффекты. Распространение обычных лекарств путем диффузии неэффективно.
«Но прежде, чем это видение может быть реализовано, еще предстоит преодолеть серьезную проблему — создание изображений. Чтобы направить крошечные машины в нужное место, необходимо, чтобы в реальном времени создавалось четкое изображение. У исследователей есть планы сделать микророботов более заметными, добавив контрастные вещества, как те, которые уже используются в медицинской визуализации с помощью ультразвука», — сообщили исследователи.
В дополнение к медицинским применениям Ахмед ожидает, что этот дизайн, вдохновленный морскими звездами, будет иметь важное значение для манипулирования минимальными объемами жидкости в исследованиях и в промышленности. Полосы биения ресничек могут выполнять такие задачи, как смешивание, перекачивание и улавливание частиц.
