Alcuni ingegneri trovano ispirazione nella meccanica del volo degli uccelli e nell'architettura dei nidi d'api. Altri pensano molto più piccoli.

Una squadra guidata da Mingming Wu, professore di ingegneria biologica e ambientale presso il College of Agriculture and Life Sciences della Cornell University, ha creato robot delle dimensioni di una cellula che possono essere alimentati e guidati da onde ultrasoniche. Nonostante le loro piccole dimensioni, questi micro-robotici nuotatori, i cui movimenti sono stati ispirati da batteri e spermatozoi, potrebbero un giorno essere un nuovo formidabile strumento per la somministrazione mirata di farmaci.

La carta della squadra, "Nuotatori micro-robotici di ispirazione biologica controllati a distanza da onde ultrasoniche, " pubblicato il 22 settembre in Laboratorio su un chip , una pubblicazione della Royal Society of Chemistry.

L'autore principale del documento è l'ex ricercatore postdottorato Tao Luo.

Da più di un decennio, Il laboratorio di Wu ha studiato i modi in cui i microrganismi, dai batteri alle cellule cancerose, migrare e comunicare con il loro ambiente. L'obiettivo finale era creare un micro-robot controllato a distanza in grado di navigare nel corpo umano.

"Possiamo realizzare aeroplani che sono migliori degli uccelli al giorno d'oggi. Ma su scala più piccola, ci sono molte situazioni che la natura sta facendo molto meglio di noi. batteri, Per esempio, hanno avuto miliardi di anni di evoluzione per perfezionare il loro modo di fare le cose, " Wu ha detto. "Questo ci ha portato a pensare che possiamo effettivamente progettare qualcosa di simile. Se puoi inviare medicinali in un'area mirata, come le cellule cancerose, allora non avrai tanti effetti collaterali."

Tra i loro attributi più ingegnosi c'è il fatto che i batteri possono nuotare 10 volte la loro lunghezza corporea in un secondo e lo sperma può nuotare contro corrente, ha detto Wu.

Il team di ricerca di Wu inizialmente ha cercato di progettare e stampare in 3D un micro-robot che imitasse il modo in cui i batteri usano il flagello per spingersi. Però, come i primi aviatori i cui ingombranti aeroplani erano troppo simili a uccelli per volare, quello sforzo è crollato. Quando Luo si unì al laboratorio di Wu, hanno iniziato ad esplorare un approccio meno letterale. L'ostacolo principale era come alimentarlo. Come una persona deve strisciare prima di poter camminare, un micro-robot ha bisogno di essere energizzato prima che possa nuotare.

"I batteri e lo sperma consumano sostanzialmente materiale organico nel fluido circostante, e questo è sufficiente per alimentarli, " disse Wu. "Ma per i robot ingegnerizzati è dura, perché se portano una batteria, è troppo pesante per loro da spostare."

Il team ha avuto l'idea di utilizzare onde sonore ad alta frequenza. Poiché l'ecografia è silenziosa, può essere facilmente utilizzato in un ambiente di laboratorio sperimentale. Come bonus aggiuntivo, la tecnologia è stata ritenuta sicura per gli studi clinici dalla Food and Drug Administration degli Stati Uniti.

Però, la squadra è stata perplessa dal processo di fabbricazione. Lavorando con la Cornell NanoScale Science and Technology Facility (CNF), Luo ha provato a creare un prototipo con la fotolitografia, ma richiedeva tempo, e i risultati erano inutilizzabili.

Il progetto ha ricevuto un impulso cruciale quando CNF ha acquistato un nuovo sistema di litografia laser chiamato NanoScribe, che crea nanostrutture 3D scrivendo direttamente su una resina fotosensibile. La tecnologia ha consentito ai ricercatori di modificare facilmente i loro progetti su scala micrometrica e di produrre rapidamente nuove iterazioni.

Entro sei mesi, Luo aveva creato un nuotatore micro-robotico triangolare che sembra un insetto incrociato con un razzo. La caratteristica più importante del nuotatore è un paio di cavità incise nella sua schiena. Poiché il suo materiale in resina è idrofobo, quando il robot è immerso nella soluzione, una minuscola bolla d'aria viene automaticamente intrappolata in ogni cavità. Quando un trasduttore a ultrasuoni è puntato sul robot, la bolla d'aria oscilla, generando vortici, noti anche come flusso di flusso, che spingono in avanti il ​​nuotatore.

Altri ingegneri hanno precedentemente costruito nuotatori "single bubble", ma i ricercatori della Cornell sono i primi a sperimentare una versione che utilizza due bolle, ciascuno con un'apertura di diametro diverso nella rispettiva cavità. Variando la frequenza di risonanza delle onde sonore, i ricercatori possono eccitare entrambe le bolle o sintonizzarle insieme, controllando in tal modo in quale direzione viene spinto il nuotatore.

La sfida che ci attende sarà quella di rendere i nuotatori biocompatibili, in modo che possano navigare tra le cellule del sangue che hanno all'incirca le dimensioni di quelle che sono. Anche i futuri micro nuotatori dovranno essere costituiti da materiale biodegradabile, in modo che molti bot possano essere inviati contemporaneamente. Allo stesso modo in cui solo un singolo spermatozoo deve avere successo per la fecondazione, il volume è fondamentale.

"Per la consegna dei farmaci, potresti avere un gruppo di nuotatori micro-robotici, e se uno ha fallito durante il viaggio, Non è un problema. È così che la natura sopravvive, " Wu ha detto. "In un certo senso, è un sistema più robusto. Più piccolo non significa più debole. Un gruppo di loro è imbattibile. Ritengo che questi strumenti ispirati alla natura siano in genere più sostenibili, perché la natura ha dimostrato che funziona."