Спиральный робот перенял у бактерий стиль плавания
В случае если одни бактерии передают человека, стоит попытаться снарядить на борьбу с заболеваниями другие микробы. Но пока генетические опыты в данной области не дают броского результата, может, лучше забрать, да и выстроить неестественные бактерии, каковые будут делать «поручения» медиков? Неизвестно, какой подход выглядит более фантастичным, но управляемые роботы размером с микробов уже созданы и совершают собственные первые заплывы в чашках Петри.
Множество бактерий, таких как широко известная кишечная палочка (E. coli), умело перемещаются в окружающей среде при помощи долгих жгутиков, завитых как будто бы пружинки. Жгутики эти вращаются с высокой скоростью в ту либо иную сторону, заставляя микроб плыть вперёд и выполнять кувырки да повороты.
Учёные несколько раз с восхищением посматривали на данный природный механизм, грезя воспроизвести его в неестественной совокупности. Исследователи из самых различных университетов в далеком прошлом высказывали здравую идея, что такие «хвостики» смогут стать красивыми движителями для медицинских микроботов, запускаемых в тело больного. Но первой впечатляющего успеха на этом поприще добилась несколько под управлением доктора наук Брэдли Нельсона (Bradley Nelson) из швейцарского федерального технологического университета (ETH Zurich).
Перед нами настоящий технологический шедевр: спиральный медицинский микроробот (фото Institute of Robotics and Intelligent Systems/ETH Zurich).
Сравнительно не так давно Брэдли и его коллеги первыми сумели выстроить «Неестественный бактериальный жгутик» (Artificial Bacterial Flagella — ABF) — образование микрометровых размеров. Да ещё прикрепили его к «голове» — аналогу бактерии. Создав пара таких изделий, названных «Спиральными плавающими микророботами» (Helical Swimming Microrobot), экспериментаторы разрешили войти их в жидкость, воспроизводя обстановку, в то время, когда подобным устройствам потребуется перемещаться не хаотично, но в определённом направлении, задаваемом человеком.
ABF насчитывают в длину от 25 до 75 микрометров, что только немногим больше, чем протяженность настоящих жгутиков у бактерий (5-25 мкм). Являются эти неестественные «хвостики» свитые в спирали плоские ленточки. Толщина лент равна 27-42 нанометрам, ширина — менее 2 микрометров, а диаметр спирали — около 3 мкм.
Голова робота складывается из трёх узких слоёв: хром, золото и никель. Как раз никель, как магнитный материал, несёт ответственность за вращение всего «конструктора». Учёные прикладывают к микроботам магнитные поля, а они заставляют вращаться и поворачиваться головки роботов — вот те и плывут.
Один из первых образцов микроробота с ABF, продемонстрированный на этих снимках, при собственной длине 74 микрометра достигал средней скорости перемещения 5 микрометров в секунду при частоте вращения 470 оборотов в 60 секунд. Чёрная точка вверху – цель, к которой учёные старались направить собственную «хвостатую бактерию» (фото Institute of Robotics and Intelligent Systems/ETH Zurich).
Кстати, Нельсон известен нам по созданию хирургического микробота — устройства, похожего на миниатюрную стрелку компаса, управляемую внешним магнитным полем.
Но в новом проекте имеется значительные отличия. В первом случае (как и в целом последовательности сходных опытов, проводимых в других институтах и университетах) маленькие «зонды» напрямую подталкиваются в нужную сторону внешним полем. Исследователи считают, что такие «микромагниты» возможно при помощи электромагнитов внешних довести до нужной точки в теле, дабы в том месте они имели возможность выполнить собственную задачу.
К примеру, влиять на опухоль либо атеросклеротические наросты в сосуде.
А вот ABF, полагают швейцарцы, разрешает руководить перемещением робота-бактерии куда более совершенно верно. Так как тут внешнее поле только приводит в перемещение «хвост», а он уже толкает всего робота.
Команда Брэдли создала особое ПО, разрешающее создавать при помощи нескольких катушек вращающиеся поля сложной конфигурации. Так, по командам человека ABF может двигаться вперёд и назад, вверх и вниз, и вращаться во всех направлениях.
Большая скорость перемещения ABF составила 20 микрометров в секунду, но авторы работы уверены, что скоро её возможно будет расширить до 100. Для сравнения — E. coli разгоняется до 30 мкм/с.
Жгутики вращаются довольно самой бактерии за счёт молекулярных моторов, встроенных в мембрану клетки. Эти необычные образования нанометровых размеров трудятся за счёт передвижения протонов либо ионов и располагают природными аналогами подшипников, статоров и роторов.
И в этом их отличие от ABF – в том месте нет подвижных относительно друг друга подробностей, целый микроробот крутится как единое целое (иллюстрации с сайтов nanonet.go.jp и evolutionoriented.wordpress.com).
Но как удалось создать такие узкие спирали?
Для этого экспериментаторы способом осаждения пара последовательно наносят на подложку два либо три ультратонких слоя из смеси индия, галлия, мышьяка и хрома в той либо последовательности и иной пропорции (тут имеется варианты).
Фазы изготовления Helical Swimming Microrobot: от выращивания узких слоёв на подложке до отделения и прикрепления головы готового изделия (иллюстрация Institute of Robotics and Intelligent Systems/ETH Zurich).
При помощи нескольких чередующихся травления и фаз фотолитографии создаётся заготовка узкой ленты, которая сама завивается в спираль, когда её отделяют от подложки. За свёртывание отвечают межатомные связи: в различных слоях образуются неодинаковые молекулярные решётки, растолковывают учёные.
В зависимости от их состава и толщины слоёв изменяются параметры ABF. Нельсон поясняет: «Мы можем выяснить не только размер спирали, но кроме того направление скручивания ленты, которая её образует».
(Подробности собственного успехи соавторы и Нельсон изложили в статье в Applied Physics Letters.)
Создатели плавающих микророботов считают, что в будущем такие устройства смогут точечно поставлять лекарства к очагам поражения в человека. Наряду с этим таковой метод выгодно отличается от прямого перетягивания каких-либо капсул магнитом. Так как для перемещения ABF нужно приложить весьма не сильный, совсем надёжное поле (1-2 миллитесла).
Возможно, само собой разумеется, вынудить перевозить живые клетки и полезный груз (мы видели такие опыты — несложной и более сложный), но тут нужно будет полагаться на их личные «мысли», куда необходимо двигаться.
Другие высокотехнологичные варианты наподобие нанокапсул и нанобиозондов отличаются тем, что за доставку к цели в том месте отвечают своеобразные наночастицы либо молекулярные комплексы, собственного рода «ключи», выясняющие «замки» на поверхности целевых клеток. Helical Swimming Microrobot не нужно таковой «интеллект», а гарантией попадания в яблочко будет умение управляющей магнитами программы.
Действительно, Нельсон говорит: «Для применения новинки в организме человека прежде всего необходимо обучиться направлять ABF весьма совершенно верно, отслеживая их маршрут без оптического мониторинга, и нужно обеспечивать их локализацию на всё время».
Для реализации таковой цели авторы проекта собираются ещё снизить размер собственных роботов и повысить их скорость перемещения, равно как поработать над управляющей совокупностью. Нельсон уверен – спирали ABF отыщут использование и в медицине, и в фундаментальных изучениях.
Создатели Helical Swimming Microrobot радуются, что их боты так похожи на бактерии. Учёным не потребовались миллиарды лет, дабы придумать красивый метод перемещения микрометровых объектов в жидкой среде — за исследователей это сделала Природа.
