Una imagen de microscopio electrónico de barrido muestra un nadador robótico del tamaño de una celda que puede ser impulsado y dirigido por ondas de ultrasonido. Crédito:Universidad de Cornell
Algunos ingenieros se inspiran en la mecánica del vuelo de las aves y la arquitectura de los nidos de abejas. Otros piensan mucho más pequeño.
Un equipo dirigido por Mingming Wu, profesor de ingeniería biológica y ambiental en la Facultad de Agricultura y Ciencias de la Vida de la Universidad de Cornell, crearon robots del tamaño de una celda que pueden ser alimentados y dirigidos por ondas de ultrasonido. A pesar de su pequeño tamaño, estos nadadores micro-robóticos, cuyos movimientos fueron inspirados por bacterias y espermatozoides, algún día podrían ser una nueva herramienta formidable para la administración de fármacos dirigida.
El papel del equipo, "Nadadores micro-robóticos inspirados biológicamente controlados remotamente por ondas de ultrasonido, "publicado el 22 de septiembre en Laboratorio en un chip , una publicación de la Royal Society of Chemistry.
El autor principal del artículo es el ex investigador postdoctoral Tao Luo.
Durante más de una década, El laboratorio de Wu ha estado investigando las formas en que los microorganismos, de bacterias a células cancerosas, migrar y comunicarse con su entorno. El objetivo final era crear un micro-robot controlado de forma remota que pudiera navegar en el cuerpo humano.
"Podemos fabricar aviones que son mejores que las aves hoy en día. Pero a la escala más pequeña, Hay muchas situaciones en las que la naturaleza está mucho mejor que nosotros. Bacterias por ejemplo, han tenido miles de millones de años de evolución para perfeccionar su forma de hacer las cosas, "Dijo Wu." Eso nos llevó a pensar que en realidad podemos diseñar algo similar. Si puede enviar medicamentos a un área específica, como las células cancerosas, entonces no tendrá tantos efectos secundarios ".
Entre sus atributos más ingeniosos está el hecho de que las bacterias pueden nadar 10 veces la longitud de su cuerpo en un segundo y los espermatozoides pueden nadar contra la corriente. Dijo Wu.
El equipo de investigación de Wu inicialmente intentó diseñar e imprimir en 3D un micro-robot que imitaba la forma en que las bacterias usan el flagelo para impulsarse. Sin embargo, como los primeros aviadores cuyos voluminosos aviones eran demasiado parecidos a los pájaros para volar, ese esfuerzo colapsó. Cuando Luo se unió al laboratorio de Wu, comenzaron a explorar un enfoque menos literal. El principal obstáculo era cómo alimentarlo. Como una persona debe gatear antes de poder caminar, un micro-robot necesita ser energizado antes de que pueda nadar.
"Las bacterias y los espermatozoides básicamente consumen material orgánico en el líquido circundante, y eso es suficiente para alimentarlos, ", Dijo Wu." Pero para los robots de ingeniería es difícil, porque si llevan batería, es demasiado pesado para que se muevan ".
El equipo tuvo la idea de utilizar ondas sonoras de alta frecuencia. Debido a que el ultrasonido es silencioso, se puede utilizar fácilmente en un laboratorio experimental. Como bono adicional, la tecnología ha sido considerada segura para estudios clínicos por la Administración de Drogas y Alimentos de EE. UU.
Los científicos de la Universidad de Cornell han creado robots nadadores del tamaño de una celda que pueden ser dirigidos por ondas de ultrasonido. Crédito:Universidad de Cornell
Sin embargo, el equipo estaba perplejo por el proceso de fabricación. Trabajando con la instalación de ciencia y tecnología de Cornell NanoScale (CNF), Luo intentó crear un prototipo con fotolitografía, pero tomó mucho tiempo, y los resultados fueron inutilizables.
El proyecto recibió un impulso crucial cuando CNF compró un nuevo sistema de litografía láser llamado NanoScribe, que crea nanoestructuras 3D escribiendo directamente sobre una resina fotosensible. La tecnología permitió a los investigadores ajustar fácilmente sus diseños a escala micrométrica y producir nuevas iteraciones rápidamente.
Dentro de seis meses, Luo había creado un nadador micro-robótico triangular que parece un insecto cruzado con un cohete. La característica más importante del nadador es un par de cavidades grabadas en su espalda. Debido a que su material de resina es hidrofóbico, cuando el robot se sumerge en la solución, una pequeña burbuja de aire queda atrapada automáticamente en cada cavidad. Cuando se apunta un transductor de ultrasonido al robot, la burbuja de aire oscila, generando vórtices, también conocidos como flujo continuo, que impulsan al nadador hacia adelante.
Los científicos de la Universidad de Cornell han creado robots nadadores del tamaño de una celda que pueden ser dirigidos por ondas de ultrasonido. Crédito:UNIVERSIDAD DE CORNELL
Otros ingenieros han construido nadadores de "una sola burbuja", pero los investigadores de Cornell son los primeros en ser pioneros en una versión que usa dos burbujas, cada uno con una abertura de diámetro diferente en su respectiva cavidad. Variando la frecuencia de resonancia de las ondas sonoras, los investigadores pueden excitar cualquiera de las burbujas, o sintonizarlas juntas, controlando así la dirección en la que se impulsa al nadador.
El desafío que tenemos por delante será hacer que los nadadores sean biocompatibles, para que puedan navegar entre las células sanguíneas que tienen aproximadamente el tamaño que tienen. Los futuros micro nadadores también deberán estar compuestos de material biodegradable, para que se puedan enviar muchos bots a la vez. De la misma manera que solo un espermatozoide necesita tener éxito para la fertilización, el volumen es clave.
"Para la administración de medicamentos, podría tener un grupo de nadadores micro-robóticos, y si uno fallaba durante el viaje, eso no es un problema. Así sobrevive la naturaleza "Dijo Wu." En cierto modo, es un sistema más robusto. Más pequeño no significa más débil. Un grupo de ellos es invencible. Siento que estas herramientas inspiradas en la naturaleza suelen ser más sostenibles, porque la naturaleza ha demostrado que funciona ".
