Team maakt microrobots aangedreven door luchtbellen en echografie

Sommige ingenieurs vinden inspiratie in de mechanica van vogelvluchten en de architectuur van bijennesten. Anderen denken veel kleiner.

Een team onder leiding van Mingming Wu, hoogleraar biologische en milieutechniek aan de Cornell University College of Agriculture and Life Sciences, creëerde robots op celgrootte die kunnen worden aangedreven en bestuurd door ultrasone golven. Ondanks hun kleine formaat zouden deze micro-robotzwemmers – wiens bewegingen werden geïnspireerd door bacteriën en sperma – op een dag een formidabel nieuw hulpmiddel kunnen zijn voor gerichte medicijnafgifte.

De paper van het team, “Biologically Inspired Micro-Robotic Swimmers Remotely Controlled by Ultrasound Waves”, gepubliceerd op 22 september in Lab op een chip, een publicatie van de Royal Society of Chemistry.

De hoofdauteur van het artikel is voormalig postdoctoraal onderzoeker Tao Luo.

Al meer dan tien jaar onderzoekt het laboratorium van Wu de manieren waarop micro-organismen, van bacteriën tot kankercellen, migreren en communiceren met hun omgeving. Het uiteindelijke doel was om een ​​op afstand bestuurbare microrobot te maken die in het menselijk lichaam kan navigeren.

“We kunnen tegenwoordig vliegtuigen maken die beter zijn dan vogels. Maar op de kleinste schaal zijn er veel situaties waarin de natuur het veel beter doet dan wij. Bacteriën hebben bijvoorbeeld miljarden jaren van evolutie gehad om hun manier van doen te perfectioneren ’, zei Wu. “Dat bracht ons ertoe te denken dat we iets soortgelijks kunnen ontwikkelen. Als je medicijnen naar een bepaald gebied kunt sturen, zoals kankercellen, dan heb je niet zoveel bijwerkingen.”

Een van hun meer ingenieuze eigenschappen is het feit dat bacteriën in één seconde 10 keer hun lichaamslengte kunnen zwemmen en dat sperma tegen de stroom in kan zwemmen, zei Wu.

Het onderzoeksteam van Wu probeerde aanvankelijk een microrobot te ontwerpen en 3D-printen die de manier nabootste waarop bacteriën flagellum gebruiken om zichzelf voort te stuwen. Maar net als de vroege vliegeniers wiens omslachtige vliegtuigen te vogelachtig waren om te vliegen, stortte die inspanning in. Toen Luo bij Wu’s lab kwam, begonnen ze een minder letterlijke benadering te verkennen. De belangrijkste hindernis was hoe het aan te drijven. Zoals een persoon moet kruipen voordat hij kan lopen, moet een microrobot worden geactiveerd voordat hij kan zwemmen.

“Bacteriën en sperma consumeren in principe organisch materiaal in de omringende vloeistof, en dat is voldoende om ze van energie te voorzien,” zei Wu. “Maar voor geconstrueerde robots is het moeilijk, want als ze een batterij dragen, is het te zwaar om te verplaatsen.”

Het team kwam op het idee om hoogfrequente geluidsgolven te gebruiken. Omdat echografie stil is, kan het gemakkelijk worden gebruikt in een experimentele laboratoriumomgeving. Als extra bonus is de technologie door de Amerikaanse Food and Drug Administration als veilig beschouwd voor klinische studies.

Het team stond echter versteld van het fabricageproces. In samenwerking met de Cornell NanoScale Science and Technology Facility (CNF) probeerde Luo een prototype te maken met fotolithografie, maar het was tijdrovend en de resultaten waren onbruikbaar.

Het project kreeg een cruciale boost toen CNF een nieuw laserlithografiesysteem kocht, NanoScribe genaamd, dat 3D-nanostructuren creëert door direct op een lichtgevoelige hars te schrijven. Dankzij de technologie konden de onderzoekers hun ontwerpen eenvoudig op micrometerschaal aanpassen en snel nieuwe iteraties produceren.

Binnen zes maanden had Luo een driehoekige micro-robotzwemmer gemaakt die eruitziet als een insect gekruist met een raketschip. Het belangrijkste kenmerk van de zwemmer is een paar holtes die in zijn rug zijn geëtst. Omdat het harsmateriaal hydrofoob is, wordt er automatisch een kleine luchtbel in elke holte opgesloten wanneer de robot wordt ondergedompeld in oplossing. Wanneer een ultrasone transducer op de robot wordt gericht, oscilleert de luchtbel, waardoor wervels worden gegenereerd – ook bekend als stromende stroming – die de zwemmer voortstuwen.

Andere ingenieurs hebben eerder ‘single bubble’-zwemmers gebouwd, maar de Cornell-onderzoekers zijn de eersten die een versie pionieren die twee bubbels gebruikt, elk met een opening met een andere diameter in hun respectievelijke holte. Door de resonantiefrequentie van de geluidsgolven te variëren, kunnen de onderzoekers een bubbel opwekken – of ze op elkaar afstemmen – en zo bepalen in welke richting de zwemmer wordt voortgestuwd.

De uitdaging die voor ons ligt, is om de zwemmers biocompatibel te maken, zodat ze kunnen navigeren tussen bloedcellen die ongeveer zo groot zijn als ze zijn. Toekomstige micro-zwemmers zullen ook uit biologisch afbreekbaar materiaal moeten bestaan, zodat veel bots tegelijk kunnen worden uitgezonden. Op dezelfde manier dat slechts één enkele zaadcel succesvol hoeft te zijn voor bevruchting, is het volume van cruciaal belang.

“Voor het toedienen van medicijnen kun je een groep micro-robotzwemmers hebben, en als er een tijdens de reis faalt, is dat geen probleem. Zo overleeft de natuur,” zei Wu. “In zekere zin is het een robuuster systeem. Kleiner betekent niet zwakker. Een groep van hen is onverslaanbaar. Ik heb het gevoel dat deze op de natuur geïnspireerde hulpmiddelen doorgaans duurzamer zijn, omdat de natuur heeft bewezen dat het werkt.”