, 2021/9/27
Spermák által inspirált úszó robotok ultrahangos hullámokkal lovagolnak a testen keresztül.
A Cornell Egyetem mérnökei olyan sejtméretű mikrorobotokat fejlesztettek ki, amelyeket ultrahanghullámok segítségével lehet működtetni és irányítani az emberi testen keresztül. A robotokat egy napon célzott gyógyszeradagolásra használhatják.
Mingming Wu professzor és laboratóriuma több mint egy évtizede vizsgálja, hogy a mikroorganizmusok - a baktériumoktól a rákos sejtekig - hogyan vándorolnak és kommunikálnak környezetükkel. A kutatók célja egy olyan távirányítású mikrorobot létrehozása, amely képes az emberi testben navigálni. Kezdetben olyan 3D-nyomtatott mikrorobotot próbáltak tervezni, amely azt utánozta, ahogyan a baktériumok a szőrszerű flagellumukat használják a meghajtáshoz; ezek a korai robotok nehézkesnek bizonyultak, és az erőfeszítések kudarcba fulladtak.
Wu és kollégái egy alternatív, kevésbé szó szerinti megközelítést alkalmaztak a mikrorobotok tervezéséhez. Az elsődleges akadályt az jelentette, hogyan lehet az eszközt úgy működtetni, hogy az emberi testben ússzon. "A baktériumok és a spermiumok alapvetően szerves anyagot fogyasztanak a környező folyadékban, és ez elegendő az energiaellátásukhoz" - magyarázta Wu.
"De a mesterséges robotok esetében ez nehéz, mert ha akkumulátort hordoznak, az túl nehéz ahhoz, hogy mozogni tudjanak".
A kutatók nagyfrekvenciás hanghullámokkal próbálkoztak. Mivel az ultrahang a normál emberi hallótartományon túl van, ezért laboratóriumi körülmények között könnyen, kellemetlenségek nélkül használható. A technológiát az FDA már biztonságosnak ítélte a klinikai vizsgálatokhoz.
Dr. Tao Luo, Wu laboratóriumának korábbi kutatója a Cornell NanoScale Science and Technology Facility-vel együttműködve egy háromszög alakú, gyantából készült mikrorobotikus úszót hozott létre, amely "egy rakétával keresztezett rovarra" hasonlított. A robot hátába egy pár üreget véstek; mivel a gyanta hidrofób, a robotot egy oldatba merítve minden üregben egy apró légbuborék reked.
Amikor egy ultrahangos jelátalakítót irányítanak a robotra, a légbuborék rezeg, örvényeket hoz létre, és előre hajtja az úszót. Bár más mérnökök már építettek olyan úszókat, amelyek egyetlen buborékot használnak a meghajtáshoz, a Cornell mérnökei az elsők, akik úttörőként két buborékot használnak: mindegyiknek más átmérőjű nyílás van a saját üregében. A rezonanciafrekvencia változtatásával bármelyik buborékot gerjeszthetik, vagy alternatív módon együtt hangolhatják őket, így a meghajtás irányát is szabályozhatják.
A következő kihívás Luo és a többi mérnök számára az lesz, hogy az úszókat biokompatibilissé tegyék, hogy nagyjából akkora méretű vérsejtek között tudjanak navigálni, mint amekkorák ők maguk. Emellett biológiailag lebomló anyagból kell majd készülniük, hogy egyszerre sokan szabadulhassanak fel; ugyanúgy, ahogyan egy-egy ejakuláció során sok spermium szabadul fel, míg a megtermékenyítéshez csak egy szükséges, a mennyiség kulcsfontosságú a sikerhez.
"A gyógyszerszállításhoz lehetne egy csoport mikrorobotikus úszó, és ha az út során az egyik meghibásodik, az nem jelent problémát. Így marad fenn a természet" - mondta Wu. "Bizonyos értelemben ez egy robusztusabb rendszer. A kisebb nem jelenti azt, hogy gyengébb. "Egy csoportjuk legyőzhetetlen. Úgy érzem, hogy ezek a természet által inspirált eszközök jellemzően fenntarthatóbbak, mert a természet bebizonyította, hogy működik"."