Сайт о роботах

Спиральный робот плавает как бактерия » Роботы подобные животным


если одни бактерии заражают человека, стоит попробовать снарядить на борьбу с болезнями другие микроорганизмы. Но пока генетические эксперименты в этой области не дают яркого результата, может, лучше взять, да и построить искусственные бактерии, которые будут выполнять 'поручения' медиков? Неизвестно, какой подход выглядит более фантастичным, но управляемые роботы размером с микробов уже созданы и совершают свои первые заплывы в чашках Петри.
Навигация
Самые интересные статьи
Spike
Spike
Робот паук. Интересное конструкторское решение. Роботом рулит контроллер ATMEGA8535. Для управления двигателями пока что используются реле. Но их скорости реакции вполне...

Обратите внимание Будьте в курсе событий.

Спиральный робот плавает как бактерия



Спиральный робот перенял у бактерий стиль плавания
Механизм плавания бактерий всё ещё является предметом изучения биологов. Слишком много тут скрыто тонкостей, хотя уже известно немало. А специалисты по нанотехнологиям тем временем уже вовсю копируют этот природный патент в своих целях (иллюстрация с сайта nanonet.go.jp).

Если одни бактерии заражают человека, стоит попробовать снарядить на борьбу с болезнями другие микроорганизмы. Но пока генетические эксперименты в этой области не дают яркого результата, может, лучше взять, да и построить искусственные бактерии, которые будут выполнять "поручения" медиков? Неизвестно, какой подход выглядит более фантастичным, но управляемые роботы размером с микробов уже созданы и совершают свои первые заплывы в чашках Петри.

Целый ряд бактерий, таких как широко известная кишечная палочка (E. coli), ловко перемещаются в окружающей среде при помощи длинных жгутиков, завитых словно пружинки. Жгутики эти вращаются с очень высокой скоростью в ту или иную сторону, заставляя микроорганизм плыть вперёд и совершать кувырки да повороты.

Учёные не один раз с восторгом поглядывали на этот природный механизм, мечтая воспроизвести его в искусственной системе. Исследователи из самых разных институтов давно высказывали здравую мысль, что такие "хвостики" могут стать прекрасными движителями для медицинских микроботов, запускаемых в тело пациента. Но первой впечатляющего успеха на этом поприще добилась группа под руководством профессора Брэдли Нельсона (Bradley Nelson) из швейцарского федерального технологического института (ETH Zürich).

Перед нами настоящий технологический шедевр: спиральный медицинский микроробот (фото Institute of Robotics and Intelligent Systems/ETH Zürich).

Перед нами настоящий технологический шедевр: спиральный медицинский микроробот (фото Institute of Robotics and Intelligent Systems/ETH Zürich).

Недавно Брэдли и его коллеги первыми сумели построить "Искусственный бактериальный жгутик" (Artificial Bacterial Flagella — ABF) — образование микрометровых размеров. Да ещё прикрепили его к "голове" — аналогу бактерии. Создав несколько таких изделий, названных "Спиральными плавающими микророботами" (Helical Swimming Microrobot), экспериментаторы пустили их в жидкость, воспроизводя ситуацию, когда подобным устройствам потребуется перемещаться не хаотично, но в определённом направлении, задаваемом человеком.

ABF насчитывают в длину от 25 до 75 микрометров, что лишь немногим больше, чем длина настоящих жгутиков у бактерий (5-25 мкм). Представляют собой эти искусственные "хвостики" свитые в спирали плоские ленточки. Толщина лент равна 27-42 нанометрам, ширина — менее 2 микрометров, а диаметр спирали — около 3 мкм.

Голова робота состоит из трёх тонких слоёв: хром, никель и золото. Именно никель, как магнитный материал, отвечает 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, показанный на этих снимках, при собственной длине 74 микрометра достигал средней скорости движения 5 микрометров в секунду при частоте вращения 470 оборотов в минуту. Тёмная точка вверху – цель, к которой учёные старались направить свою "хвостатую бактерию" (фото Institute of Robotics and Intelligent Systems/ETH Zürich).

Один из первых образцов микроробота с ABF, показанный на этих снимках, при собственной длине 74 микрометра достигал средней скорости движения 5 микрометров в секунду при частоте вращения 470 оборотов в минуту. Тёмная точка вверху – цель, к которой учёные старались направить свою "хвостатую бактерию" (фото Institute of Robotics and Intelligent Systems/ETH Zürich).

Кстати, Нельсон известен нам по созданию хирургического микробота — устройства, похожего на миниатюрную стрелку компаса, управляемую внешним магнитным полем.

Но в новом проекте есть существенные отличия. В первом случае (как и в целом ряде сходных экспериментов, проводимых в других университетах и институтах) крошечные "зонды" напрямую подталкиваются в нужную сторону внешним полем. Исследователи полагают, что такие "микромагниты" можно при помощи электромагнитов внешних довести до нужной точки в теле, чтобы там они могли выполнить свою задачу. К примеру, воздействовать на опухоль или атеросклеротические наросты в сосуде.

А вот ABF, полагают швейцарцы, позволяет управлять движением робота-бактерии куда более точно. Ведь тут внешнее поле лишь приводит в движение "хвост", а он уже толкает всего робота.

Команда Брэдли разработала специальное программное обеспечение, позволяющее создавать при помощи нескольких катушек вращающиеся поля сложной конфигурации. Так, по командам человека ABF может двигаться вперёд и назад, вверх и вниз, а также вращаться во всех направлениях.

Максимальная скорость движения ABF составила 20 микрометров в секунду, но авторы работы уверены, что вскоре её можно будет увеличить до 100. Для сравнения — E. coli разгоняется до 30 мкм/с.

Жгутики вращаются относительно самой бактерии за счёт молекулярных моторов, встроенных в мембрану клетки. Эти удивительные образования нанометровых размеров работают за счёт передвижения протонов или ионов и располагают природными аналогами подшипников, роторов и статоров. И в этом их отличие от ABF – там нет подвижных друг относительно друга деталей, весь микроробот крутится как единое целое (иллюстрации с сайтов nanonet.go.jp и evolutionoriented.wordpress.com).

Жгутики вращаются относительно самой бактерии за счёт молекулярных моторов, встроенных в мембрану клетки. Эти удивительные образования нанометровых размеров работают за счёт передвижения протонов или ионов и располагают природными аналогами подшипников, роторов и статоров. И в этом их отличие от ABF – там нет подвижных друг относительно друга деталей, весь микроробот крутится как единое целое (иллюстрации с сайтов nanonet.go.jp и evolutionoriented.wordpress.com).

Но как удалось создать такие тонкие спирали?

Для этого экспериментаторы методом осаждения пара последовательно наносят на подложку два или три ультратонких слоя из смеси индия, галлия, мышьяка и хрома в той или иной пропорции и последовательности (тут есть варианты).

Фазы изготовления Helical Swimming Microrobot: от выращивания тонких слоёв на подложке до прикрепления головы и отделения готового изделия (иллюстрация Institute of Robotics and Intelligent Systems/ETH Zürich).

Фазы изготовления Helical Swimming Microrobot: от выращивания тонких слоёв на подложке до прикрепления головы и отделения готового изделия (иллюстрация Institute of Robotics and Intelligent Systems/ETH Zürich).

При помощи нескольких чередующихся фаз фотолитографии и травления создаётся заготовка узкой ленты, которая сама завивается в спираль, как только её отделяют от подложки. За свёртывание отвечают межатомные связи: в разных слоях образуются неодинаковые молекулярные решётки, объясняют учёные.

В зависимости от толщины слоёв и их состава меняются параметры ABF. Нельсон поясняет: "Мы можем определить не только размер спирали, но даже направление скручивания ленты, которая её образует".

(Детали своего достижения Нельсон и соавторы изложили в статье в Applied Physics Letters.)

Создатели плавающих микророботов полагают, что в будущем такие устройства смогут точечно поставлять лекарства к очагам поражения внутри человека. При этом такой способ выгодно отличается от прямого перетягивания каких-либо капсул магнитом. Ведь для движения ABF необходимо приложить очень слабое, совершенно безопасное поле (1-2 миллитесла).

Можно, конечно, заставить перевозить полезный груз и живые клетки, но тут придётся полагаться на их собственные "соображения", куда нужно двигаться.

Другие высокотехнологичные варианты вроде нанокапсул и нанобиозондов отличаются тем, что за доставку к цели там отвечают специфические наночастицы или молекулярные комплексы, своего рода "ключи", узнающие "замки" на поверхности целевых клеток. Helical Swimming Microrobot не требуется такой "интеллект", а гарантией попадания в яблочко будет умение управляющей магнитами программы.

Правда, Нельсон говорит: "Для применения новинки в организме человека в первую очередь нужно научиться направлять ABF очень точно, отслеживая их маршрут без оптического мониторинга, а также необходимо гарантировать их локализацию на всё время".

Для реализации такой цели авторы проекта намерены ещё уменьшить размер своих роботов и повысить их скорость движения, равно как поработать над управляющей системой. Нельсон уверен – спирали ABF найдут применение и в медицине, и в фундаментальных исследованиях.

Создатели Helical Swimming Microrobot радуются, что их боты так похожи на бактерии. Учёным не потребовались миллиарды лет, чтобы придумать прекрасный способ перемещения микрометровых объектов в жидкой среде — за исследователей это сделала Природа.


Робот-геккон передвигается по стенам и потолку

Робот-геккон передвигается по стенам и потолку
  • Способность роботов передвигаться по вертикальным стенам и даже потолку чрезвычайно важна для современного общества – именно такие аппараты могли бы ...
  • НАЗАД
    Пингвины-роботы показали возможности бионики

    Пингвины-роботы показали возможности бионики
  • Инженеры далеко не в первый раз обращаются к природным патентам. Такие роботы, как AquaPenguin (на снимке), могут быть как средством развлечения, так ...
  • ВПЕРЁД