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).

Спиральный робот перенял у бактерий стиль плавания

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.

Как верно плавать брассом? Данил Антоненков.


Темы которые будут Вам интересны: