Traendo ispirazione dalla biologia e dallo scaffale dei giocattoli, i ricercatori della Thayer School of Engineering del Dartmouth College e della City University di Hong Kong hanno sviluppato un robot nuotatore con un motore cellulare controllato dalla luce in grado di eseguire una somministrazione di farmaci altamente mirata.

I ricercatori hanno combinato l'ingegneria dei tessuti cardiaci, una struttura ad ala stampata in 3D e un gel sensibile alla luce per produrre il robot morbido con capacità di start-stop. Il dispositivo commutabile trasforma la sua forma quando viene esposto alla luce del vicino infrarosso che penetra nella pelle, facendolo guidare e frenare attraverso ambienti fluidi come il flusso sanguigno umano.

Il dispositivo trasformabile migliora notevolmente l'utilità dei robot progettati per lavorare all'interno del corpo umano e in altri ambienti di lavoro non convenzionali.

Il team di ricerca della City University di Hong Kong ha prodotto il progetto originale del robot ed eseguito i test sperimentali. Il team di Dartmouth ha eseguito analisi meccaniche e numeriche sul dispositivo e ha suggerito modifiche agli elementi di design come dimensioni e forma.

"Con questa tecnologia possiamo creare robot trasformabili morbidi con una manovrabilità senza precedenti, " ha detto Zi Chen, un assistente professore di ingegneria alla Thayer. "La nostra ispirazione è venuta dai giocattoli trasformabili che hanno diverse configurazioni e funzionalità. Il risultato non è un giocattolo, può letteralmente cambiare la vita delle persone".

Gli organismi viventi sono in grado di cambiare forma per eseguire azioni specifiche. Un riccio si arriccia in una palla per difendersi. Gli uccelli spiegano le ali per volare. Le piante carnivore come la Venus flytrap si aprono e si chiudono. Il nuovo studio fa parte di uno sforzo a lungo termine per sviluppare robot che imitano questo comportamento che cambia forma trovato in natura.

Per essere efficace, la nuova generazione di robot deve essere efficiente dal punto di vista energetico e deve essere in grado di rispondere a diversi tipi di stimolo, come luce o calore.

Sebbene esistano già esempi di questi tipi di robot, i ricercatori hanno lottato per creare un dispositivo che trasformi in modo fluido la sua forma per consentirgli di iniziare e smettere di muoversi su richiesta. La maggior parte dei sistemi esistenti dipende anche da variazioni di temperatura che sono difficili da stimolare nel corpo umano a causa della sua temperatura quasi costante.

"La capacità di controllare il movimento del robot utilizzando la luce crea un dispositivo molto più funzionale che può essere utilizzato con alta precisione, " ha detto Xiaomin Han, un recente dottorato di ricerca laureato presso il Chen Research Lab di Thayer.

Il robot telecomandato è guidato da una pinna caudale che imita l'azione di nuoto delle balene. La struttura è stata stampata in 3D a forma di ala di aeroplano e poi rivestita con cellule del muscolo cardiaco. Allo stesso modo in cui i cardiomiociti fanno battere il cuore continuamente, inoltre spingono questo dispositivo bioibrido attraverso un'azione ondulatoria costante.

Per controllare il movimento del robot, i ricercatori hanno applicato idrogel fotosensibili alle ali. In assenza di luce, le ali si spiegano, permettendo alle cellule del cuore di spingerlo in avanti. Quando esposto alla luce, l'aereo galleggiante ritrae le ali, facendolo smettere.

"I muscoli del cuore continuano a muoversi, ma non riescono a vincere la forza d'arresto delle ali, " ha detto Chen. "È come premere il pedale dell'acceleratore con il freno di emergenza inserito."

L'elevata sensibilità del robot alla luce del vicino infrarosso crea un tasso di risposta che consente una trasformazione quasi immediata della forma dell'ala, permettendogli di essere altamente manovrabile. Nello studio, i ricercatori hanno utilizzato la "controllabilità e la reattività senza precedenti" del robot dell'aereo galleggiante come vettore di carico per condurre la somministrazione mirata di farmaci contro le cellule tumorali.

"Abbiamo letteralmente lanciato bombe farmacologiche sulle cellule cancerose, " ha affermato Chen. "La realizzazione del concetto trasformabile apre la strada al potenziale sviluppo di sistemi robotici bioibridi intelligenti di prossima generazione".

Il robot bioibrido può essere prodotto in una varietà di dimensioni che vanno da diversi millimetri a decine di centimetri. Tale scalabilità offre una buona flessibilità per svolgere attività relative alla navigazione e alla sorveglianza in ambienti difficili.

Uno studio che descrive la ricerca è apparso per la prima volta sulla rivista accademica Piccolo a fine marzo.

Nello studio attuale, i ricercatori controllano il movimento start-stop dell'intero robot attraverso l'uso della luce. La ricerca futura utilizzerà la luce per puntare ali separate sul robot in modo che possa essere guidato con ancora più precisione.

Questa ricerca è stata prodotta con Peng Shi e Bingzhe Xu della City University di Hong Kong. Allo studio hanno contribuito anche Yuwei Hu e Chia-Hung Chen della National University of Singapore e Yiming Luo della Hubei University of Technology.