Un nuevo estudio del laboratorio de Thomas Mallouk muestra cómo "cohetes, "impulsado por ondas acústicas y un motor de burbujas a bordo, se puede conducir a través de paisajes tridimensionales de células y partículas utilizando imanes. La investigación fue una colaboración entre investigadores de Penn y la Universidad de San Diego, el Instituto de Tecnología de Harbin en Shenzhen, y la Universidad Estatal de Pensilvania, donde se realizó inicialmente el estudio, y fue publicado en Avances de la ciencia .

La historia del origen de los diminutos cohetes comenzó con una pregunta científica fundamental:¿Podrían los científicos diseñar recipientes a nano y microescala que utilicen sustancias químicas como combustible para viajar a través del cuerpo humano? Quince años de investigación de Mallouk y otros demostraron que la respuesta corta era "sí, "pero los investigadores se enfrentaron a barreras importantes para el uso de estos recipientes en aplicaciones biomédicas porque los productos químicos que utilizaban como combustible, como el peróxido de hidrógeno, eran tóxicos.

Un descubrimiento "accidental" llevó a Mallouk y su grupo a centrarse en el uso de un tipo de combustible completamente diferente:las ondas sonoras. Mientras intentaban mover sus cohetes con levitación acústica, un proceso utilizado para levantar partículas de un portaobjetos de microscopio con ondas sonoras de alta frecuencia, el grupo se sorprendió al descubrir que el ultrasonido hacía que los robots se movieran a velocidades muy rápidas. Mallouk y su equipo decidieron investigar más este fenómeno para ver si podían usar ondas sonoras de alta frecuencia para alimentar sus diminutos vasos.

El último artículo del grupo detalla el diseño de los cohetes a microescala, parecido a una taza de fondo redondo de 10 micrones de largo y cinco micrones de ancho, o del tamaño de una partícula de polvo. Las copas redondeadas están impresas en 3D mediante litografía láser y contienen una capa exterior de oro y capas interiores de níquel y polímero. El tratamiento con un químico hidrofóbico después de que el oro es fundido hace que se forme una burbuja de aire y quede atrapada dentro de la cavidad del cohete.

En presencia de ondas de ultrasonido, la burbuja dentro del cohete es excitada por la oscilación de alta frecuencia en la interfaz agua-aire, que convierte la burbuja en un motor a bordo. A continuación, el cohete se puede dirigir mediante un campo magnético externo. Cada cohete individual tiene su propia frecuencia de resonancia, lo que significa que cada miembro de una flota puede conducirse independientemente de los demás. Los diminutos cohetes también son increíblemente hábiles, capaz de subir escaleras microscópicas y nadar libremente en tres dimensiones con la ayuda de aletas especiales.

Una de las características más singulares del cohete es su capacidad para mover otras partículas y células con gran precisión. incluso en entornos concurridos. Los recipientes robóticos pueden empujar partículas en la dirección deseada o utilizar un enfoque de "rayo tractor" para tirar de objetos con una fuerza atractiva. Mallouk dice que la capacidad de empujar objetos sin perturbar el medio ambiente "no estaba disponible a mayor escala, "y agregó que el enfoque de rayo tractor utilizado por embarcaciones de mayor tamaño no es tan bueno en movimientos precisos". Hay mucho control que puede hacer a esta escala de eslora, " él añade.

En este tamaño particular, los cohetes son lo suficientemente grandes como para no ser impactados por el movimiento browniano, los movimientos aleatorios y erráticos experimentados por partículas en el rango de tamaño nanométrico, pero son lo suficientemente pequeños como para mover objetos sin perturbar el entorno que los rodea. "En esta escala de longitud particular, estamos en el punto de cruce entre cuando la potencia es suficiente para afectar a otras partículas, "dice Mallouk.

Al aumentar o disminuir la cantidad de "combustible" acústico, los investigadores proporcionan los cohetes, también pueden controlar la velocidad de los pequeños vasos. "Si quiero que vaya lento, Puedo apagar la energía y si quiero que vaya muy rápido Puedo subir el poder "explica Jeff McNeill, estudiante de posgrado que trabaja en proyectos de motores a nano y microescala. "Es una herramienta realmente útil".

Mallouk y su laboratorio ya están explorando una serie de posibles áreas de investigación adicional, incluyendo formas de accionar los cohetes con luz, y fabricar cohetes aún más pequeños que serían más rápidos y más fuertes para su tamaño. Futuras colaboraciones con ingenieros y especialistas en robótica en Penn, incluido Dan Hammer, Marc Miskin, Vijay Kumar, James Pikul, y Kathleen Stebe, podría ayudar a que los cohetes fueran "inteligentes" al permitirles equipar las naves con chips de computadora y sensores para darles autonomía e inteligencia.

Mientras el grupo considera el amplio potencial médico del microcohete, desde imágenes médicas hasta nano-robótica, Mallouk dice:"Nos gustaría tener robots controlables que puedan realizar tareas dentro del cuerpo:administrar medicamentos, arterias de la raíz del rotor, fisgoneo de diagnóstico ".