Микророботы в вашей крови работают на ультразвуковой реактивной тяге.

Управляемые ультразвуком плавающие роботы размером с клетку.

Источник: УНИВЕРСИТЕТ КОРНЕЛЛА.

Кто-то строит реакторы, вдохновляясь мощностью мириадов солнц; кто-то черпает идеи, восхищаясь полётами птиц или архитектурой пчелиных сот; а кто-то, не хватая звёзд с небес, занят масштабами поменьше…

Команда во главе с Минмингом Ву, профессором биологической и экологической инженерии в Колледже сельского хозяйства и естественных наук Корнельского университета, обратив внимание на движения бактерий и сперматозоидов, создала роботов… размером с клетку. 

Несмотря на свой крошечный размер и ограниченный функционал, устройства подают немалые надежды. Дело в том, что эти микророботы – пловцы; и плавать им предстоит в крови пациентов, адресно доставляя медикаменты к возбудителям болезней или поражённым тканям. Но Левша вон аж 140 лет назад блоху подковал, так что это ещё не самое интересное, а вот как они узнают куда плыть?..

Об этом прямо сказано в самом названии посвящённой исследованию статьи постдока Тао Луо, на днях опубликованной в журнале «Лаборатория на чипе» Королевского химического общества, «Биологически вдохновлённые микророботы-пловцы, дистанционно управляемые ультразвуковыми волнами».

Лаборатория профессора Ву изучает микроорганизмы на предмет способов их миграции и взаимодействия с окружающей средой уже более десяти лет: «Сегодня мы можем создавать самолёты, которые лучше птиц. Но в самом маленьком масштабе есть множество ситуаций, в которых природа справляется намного лучше, чем мы. Бактерии, например, преодолели миллиарды лет эволюции к совершенству своего образа действий», – говорит он. 

В процессе исследований накопилось немало сведений, касающихся поведения множества представителей микромира – от бактерий до раковых клеток. Обширный пласт данных собирался с одной единственной целью: создать робота, который мог бы перемещаться в человеческом теле и управляться дистанционно.

Оказалось, что среди наиболее изобретательных отличительных свойств бактерий выделяется их способность плавать со скоростью в 10 длин своего тела в секунду; а сперматозоиды вообще претендуют на звание чемпионов, ведь они могут плыть даже против течения.

«Это навело нас на мысль, что мы действительно можем разработать нечто подобное. Если вы можете отправить лекарство в целевую область вроде раковых клеток, то у вас не будет сравнительно много побочных эффектов», – поясняет основную идею профессор.

Что ж, как говорится, вижу цель – не вижу препятствий. Исследовательская группа с энтузиазмом взялась за дело, с самого начала пытаясь спроектировать и напечатать на 3D-принтере микроробота, который смог бы имитировать способ передвижения бактерий с использованием жгутика. Однако эта попытка взять с разбегу быка за рога неминуемо провалилась – ровно так же, как и у первых авиаторов, чьи громоздкие самолёты были слишком уж похожи на птиц, чтобы летать. Когда же к проекту присоединился Тао Луо, они начали изучать менее буквальный подход; и основная трудность заключалась в том, как его привести в действие. Дело в том, что, как человек должен сначала научиться ползать, прежде чем сумеет ходить, так и «микроботику» сперва нужно получить энергию, прежде чем он сможет плавать.

«Бактерии и сперматозоиды в основном потребляют органические вещества из окружающей жидкости, и этого достаточно, чтобы питать их, – описывает проблему Ву. – Но для конструируемых роботов это сложно, потому что, если у них есть аккумулятор, он слишком тяжёл, чтобы двигаться».

В ходе поисков выхода из сложившейся ситуации, команда наткнулась на идею использования высокочастотных звуковых волн (которая, строго говоря, не была в новинку). Исходя из тишины, характерной для работы ультразвука, он приятно подходит лабораторным условиям для применения в экспериментах. Ещё одним – отнюдь не маловажным – дополнением к плюсам ультразвука стало то, что технология была признана безопасной для клинических исследований Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США.

Идея показалась интересной и весьма подходящей со многих сторон, и тем не менее процесс изготовления прототипа поставил команду в тупик. В сотрудничестве с Научно-технологическим центром Cornell NanoScale (CNF) Луо попытался создать его с помощью фотолитографии – метода изготовления печатных электронных плат путём нанесения рисунка одним веществом на поверхность другого. Увы, мало того, что этот процесс требует много времени, так ещё и результаты оказались совершенно непригодными для использования.

Но тут учёным снова улыбнулась удача: центр CNF приобрёл новую систему лазерной литографии, и проект получил решающий импульс. Спасшая положение установка NanoScribe создаёт трёхмерные наноструктуры путём прямой записи на светочувствительную смолу. Эта технология позволила исследователям легко настраивать свои конструкции в микрометрическом масштабе и быстро создавать новые итерации (шаблоны действий, алгоритмы).

Воодушевление и исследовательский энтузиазм позволили Луо всего за полгода создать треугольного микроробота-пловца, напоминающего странное насекомое, скрещённое с ракетным кораблём. Самая важная особенность этого пловца – пара впадин на спине, автоматически захватывающие крошечные пузырьки воздуха, когда робот погружается в раствор. Это происходит благодаря гидрофобности полимерного материала, из которого сделано устройство. Когда ультразвуковой преобразователь направлен на него, эти сверхмалые пузыри воздуха колеблются, что создаёт так называемый струящийся поток – завихрения, которые толкают пловца вперёд.

Другими коллективами исследователей и инженеров ранее уже создавались аналоги таких искусственно-механических бактерий, но то всё были попытки с однокамерным «двигателем» – то есть с одним «пузырьком». Тогда изделия, приводимые в движение акустическим потоком, требовали обязательного использования магнитного поля или дополнительного ультразвукового преобразователя для изменения их направления.

Команда из Корнелла впервые отошла от этой парадигмы и разработали версию, в которой конструкция из двух воздушных камер с отверстиями разного диаметра в соответствующей полости каждой, наделяет устройство и манёвренностью, и управляемостью. Изменяя частоту ультразвукового резонанса, исследователи могут контролировать направление движения своего микроскопического пловца. Всё, что нужно – акустическое воздействие, призванное либо возбуждать колебания пузырьков по отдельности, либо настраивать их вместе.

Однако за этим успехом учёные видят не только большие перспективы, но и множество предстоящей работы. Перед ними стоит немало задач. Например, для производства устройств требуются исключительно биосовместимые материалы, ведь им предстоит перемещаться между клетками крови примерно сопоставимого размера. Кроме того, биоразлагаемость материалов будущих микропловцов также должна быть на высоте, чтобы в случае интенсивной терапии выполнившие свою функцию не мешали тем, кто только продвигается к цели. Это же соображение позволит запускать сразу несколько таких биороботов подобно тому, как для успешного оплодотворения ключевым звеном является объём, хотя на самом деле требуется только один сперматозоид.

«Для доставки лекарств у вас может быть группа микророботов-пловцов, и если один из них потерпит неудачу во время путешествия, то не проблема. Природа так и выживает, – говорит Ву. – В каком-то смысле это более надёжная система. Меньше – не значит слабее. Группа из них непобедима. Я чувствую, что эти типичные вдохновлённые природой инструменты более устойчивы, потому что природа доказала, что они работают».

АРМК, по материалам Корнельского университета