Дослідники створили крихітних роботів, які рухаються завдяки ультразвуку
Дослідники з ETH Zurich створили крихітного робота, який імітує рух личинки морської зірки. Він рухається під дією звукових хвиль і оснащений крихітними віями, які спрямовують рідину навколо нього, як і у його природного прототипу. У майбутньому такі мікроплавці зможуть доставляти ліки до хворих клітин з дуже високою точністю.
Мікророботи вже давно привертають увагу багатьох дослідників. Такі технології врешті-решт можуть дати безліч застосувань, зокрема кілька корисних функцій у сфері охорони здоров'я. Часто згадують такі речі, як адресна доставка ліків і мікрохірургічні процедури.
Мобільність — одне з найбільших питань, що виникають щодо подібних технологій. Зокрема, як робототехніки можуть змусити крихітні пристрої рухатися без батарей та інших технологій на борту. Магніти — досить поширена пропозиція, але команда ETH Zurich вивчає зовсім інше рішення — ультразвук.
Роботи розміром менше людського волосся були створені за допомогою фотолітографії. Їх покрито синтетичними версіями війок, які вкривають личинок морських зірок. У біологічному прикладі ці надтонкі волосоподібні структури розбивають навколишню воду візерунками, що створюють невеликі вихори, просуваючи личинок морських зірок крізь рідину. Фактично система або виштовхує воду, або втягує її.
«На перший погляд мікророботи мало схожі на личинку морської зірки. На личинковій стадії морська зірка має лопатеве тіло завширшки лише кілька міліметрів. Натомість мікроробот являє собою прямокутник у десять разів менший — всього чверть міліметра в поперечнику. Але в них є одна важлива особливість — ряд тонких рухомих волосків на поверхні, які називаються віями», — повідомили дослідники.
Ці вії були ключовим елементом дизайну нового мікроробота, розробленого дослідниками ETH на чолі з Деніелем Ахмедом — професором акустичної робототехніки для наук про життя та охорони здоров'я. «Спочатку ми просто хотіли перевірити, чи можемо створити вихори, схожі на вихори личинок морських зірок, з рядами війок, нахиленими одна до одної або в різні боки», — розповів Ахмед.
«Личинка морської зірки вкрита сотнями тисяч цих волосків. Розташовані рядами, вони скоординовано рухаються назад і вперед, створюючи водовороти в навколишній воді. Відносна орієнтація двох рядів визначає кінцевий результат: нахил двох смуг биття війок одна до одної створює вихор з штовхальним ефектом, що просуває личинку. З іншого боку, відхилення двох смуг одна від одної створює вихор, який втягує рідину і вловлює частинки, якими живиться личинка», — зазначили в ETH Zurich.
Команда стверджує, що змогла створити подібну рушійну силу у своїх крихітних роботах, застосувавши ультразвукові хвилі, що дозволяють їм плавати прямо. Об'єкти, які видно навколо робота на наданих ученими фотографіях і відео, є пластиковими мікрокульками, доданими у воду, щоб продемонструвати, як вона рухається навколо робота.
У своїй лабораторії дослідники показали, що мікророботи можуть плавати прямо крізь рідину, наприклад воду. Додавання крихітних пластикових кульок у воду дозволило візуалізувати вихори. Результат вражаючий: личинки морської зірки і пристрої створюють практично ідентичний режим потоку.
Потім дослідники розташували циліарні зв'язки так, щоб вихор всмоктування розміщувався поруч із вихором штовхання, імітуючи техніку живлення, яку використовує личинка морської зірки. Таке розташування дозволило роботам збирати частинки і відправляти їх у заданому напрямку.
Ахмед переконаний, що цей новий тип мікроробототів буде готовий до застосування в медицині найближчим часом. Це пов'язано з тим, що система, заснована лише на ультразвуку, має вирішальні переваги: ультразвукові хвилі вже широко використовуються для візуалізації, глибоко проникають у тіло і не становлять небезпеки для здоров'я.
«Наше бачення — використовувати ультразвук для руху, візуалізації та доставки ліків»
Той факт, що для цієї терапії потрібен лише ультразвуковий пристрій, робить її дешевою і, отже, придатною для використання як у розвинених, так і в країнах, що розвиваються.
Доставка ліків є найбільш широко обговорюваним застосуванням у цьому випадку, зокрема можливістю доставляти ліки безпосередньо до конкретного місця, наприклад до пухлини шлунка. Це може забезпечити їх ефективніше використання та знизити потенційні побічні ефекти. Поширення звичайних ліків шляхом дифузії неефективне.
«Але перш ніж це бачення можна буде реалізувати, ще належить подолати серйозну проблему — створення зображень. Щоб спрямувати крихітні машини в потрібне місце, необхідно, щоб у реальному часі створювалося чітке зображення. Дослідники планують зробити мікророботів помітнішими, додавши контрастні речовини, подібні до тих, що вже використовуються в медичній ультразвуковій візуалізації», — повідомили дослідники.
Крім медичних застосувань, Ахмед очікує, що цей дизайн, натхненний морськими зірками, матиме важливе значення для маніпулювання мінімальними об'ємами рідини в дослідженнях і промисловості. Смуги биття війок можуть виконувати такі завдання, як змішування, перекачування і вловлювання частинок.
