—пиральный робот плавает как бактери€




—пиральный робот перен€л у бактерий стиль плавани€
ћеханизм плавани€ бактерий всЄ ещЄ €вл€етс€ предметом изучени€ биологов. —лишком много тут скрыто тонкостей, хот€ уже известно немало. ј специалисты по нанотехнологи€м тем временем уже вовсю копируют этот природный патент в своих цел€х (иллюстраци€ с сайта nanonet.go.jp).

≈сли одни бактерии заражают человека, стоит попробовать снар€дить на борьбу с болезн€ми другие микроорганизмы. Ќо пока генетические эксперименты в этой области не дают €ркого результата, может, лучше вз€ть, да и построить искусственные бактерии, которые будут выполн€ть "поручени€" медиков? Ќеизвестно, какой подход выгл€дит более фантастичным, но управл€емые роботы размером с микробов уже созданы и совершают свои первые заплывы в чашках ѕетри.

÷елый р€д бактерий, таких как широко известна€ кишечна€ палочка (E. coli), ловко перемещаютс€ в окружающей среде при помощи длинных жгутиков, завитых словно пружинки. ∆гутики эти вращаютс€ с очень высокой скоростью в ту или иную сторону, заставл€€ микроорганизм плыть вперЄд и совершать кувырки да повороты.

”чЄные не один раз с восторгом погл€дывали на этот природный механизм, мечта€ воспроизвести его в искусственной системе. »сследователи из самых разных институтов давно высказывали здравую мысль, что такие "хвостики" могут стать прекрасными движител€ми дл€ медицинских микроботов, запускаемых в тело пациента. Ќо первой впечатл€ющего успеха на этом поприще добилась группа под руководством профессора Ѕрэдли Ќельсона (Bradley Nelson) из швейцарского федерального технологического института (ETH Zürich).

ѕеред нами насто€щий технологический шедевр: спиральный медицинский микроробот (фото Institute of Robotics and Intelligent Systems/ETH Zürich).


ѕеред нами насто€щий технологический шедевр: спиральный медицинский микроробот (фото Institute of Robotics and Intelligent Systems/ETH Zürich).

Ќедавно Ѕрэдли и его коллеги первыми сумели построить "»скусственный бактериальный жгутик" (Artificial Bacterial Flagella — ABF) — образование микрометровых размеров. ƒа ещЄ прикрепили его к "голове" — аналогу бактерии. —оздав несколько таких изделий, названных "—пиральными плавающими микророботами" (Helical Swimming Microrobot), экспериментаторы пустили их в жидкость, воспроизвод€ ситуацию, когда подобным устройствам потребуетс€ перемещатьс€ не хаотично, но в определЄнном направлении, задаваемом человеком.

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

√олова робота состоит из трЄх тонких слоЄв: хром, никель и золото. »менно никель, как магнитный материал, отвечает за вращение всего "конструктора". ”чЄные прикладывают к микроботам магнитные пол€, а они заставл€ют вращатьс€ и поворачиватьс€ головки роботов — вот те и плывут.

ќдин из первых образцов микроробота с ABF, показанный на этих снимках, при собственной длине 74 микрометра достигал средней скорости движени€ 5 микрометров в секунду при частоте вращени€ 470 оборотов в минуту. “Ємна€ точка вверху Ц цель, к которой учЄные старались направить свою "хвостатую бактерию" (фото Institute of Robotics and Intelligent Systems/ETH Zürich).


ќдин из первых образцов микроробота с ABF, показанный на этих снимках, при собственной длине 74 микрометра достигал средней скорости движени€ 5 микрометров в секунду при частоте вращени€ 470 оборотов в минуту. “Ємна€ точка вверху Ц цель, к которой учЄные старались направить свою "хвостатую бактерию" (фото Institute of Robotics and Intelligent Systems/ETH Zürich).

 стати, Ќельсон известен нам по созданию хирургического микробота — устройства, похожего на миниатюрную стрелку компаса, управл€емую внешним магнитным полем.

Ќо в новом проекте есть существенные отличи€. ¬ первом случае (как и в целом р€де сходных экспериментов, проводимых в других университетах и институтах) крошечные "зонды" напр€мую подталкиваютс€ в нужную сторону внешним полем. »сследователи полагают, что такие "микромагниты" можно при помощи электромагнитов внешних довести до нужной точки в теле, чтобы там они могли выполнить свою задачу.   примеру, воздействовать на опухоль или атеросклеротические наросты в сосуде.

ј вот ABF, полагают швейцарцы, позвол€ет управл€ть движением робота-бактерии куда более точно. ¬едь тут внешнее поле лишь приводит в движение "хвост", а он уже толкает всего робота.

 оманда Ѕрэдли разработала специальное программное обеспечение, позвол€ющее создавать при помощи нескольких катушек вращающиес€ пол€ сложной конфигурации. “ак, по командам человека ABF может двигатьс€ вперЄд и назад, вверх и вниз, а также вращатьс€ во всех направлени€х.

ћаксимальна€ скорость движени€ ABF составила 20 микрометров в секунду, но авторы работы уверены, что вскоре еЄ можно будет увеличить до 100. ƒл€ сравнени€ — E. coli разгон€етс€ до 30 мкм/с.

∆гутики вращаютс€ относительно самой бактерии за счЄт молекул€рных моторов, встроенных в мембрану клетки. Ёти удивительные образовани€ нанометровых размеров работают за счЄт передвижени€ протонов или ионов и располагают природными аналогами подшипников, роторов и статоров. » в этом их отличие от ABF Ц там нет подвижных друг относительно друга деталей, весь микроробот крутитс€ как единое целое (иллюстрации с сайтов nanonet.go.jp и evolutionoriented.wordpress.com).
∆гутики вращаютс€ относительно самой бактерии за счЄт молекул€рных моторов, встроенных в мембрану клетки. Ёти удивительные образовани€ нанометровых размеров работают за счЄт передвижени€ протонов или ионов и располагают природными аналогами подшипников, роторов и статоров. » в этом их отличие от ABF Ц там нет подвижных друг относительно друга деталей, весь микроробот крутитс€ как единое целое (иллюстрации с сайтов nanonet.go.jp и evolutionoriented.wordpress.com).

Ќо как удалось создать такие тонкие спирали?

ƒл€ этого экспериментаторы методом осаждени€ пара последовательно нанос€т на подложку два или три ультратонких сло€ из смеси инди€, галли€, мышь€ка и хрома в той или иной пропорции и последовательности (тут есть варианты).

‘азы изготовлени€ Helical Swimming Microrobot: от выращивани€ тонких слоЄв на подложке до прикреплени€ головы и отделени€ готового издели€ (иллюстраци€ Institute of Robotics and Intelligent Systems/ETH Zürich).

‘азы изготовлени€ Helical Swimming Microrobot: от выращивани€ тонких слоЄв на подложке до прикреплени€ головы и отделени€ готового издели€ (иллюстраци€ Institute of Robotics and Intelligent Systems/ETH Zürich).

ѕри помощи нескольких чередующихс€ фаз фотолитографии и травлени€ создаЄтс€ заготовка узкой ленты, котора€ сама завиваетс€ в спираль, как только еЄ отдел€ют от подложки. «а свЄртывание отвечают межатомные св€зи: в разных сло€х образуютс€ неодинаковые молекул€рные решЄтки, объ€сн€ют учЄные.

¬ зависимости от толщины слоЄв и их состава мен€ютс€ параметры ABF. Ќельсон по€сн€ет: "ћы можем определить не только размер спирали, но даже направление скручивани€ ленты, котора€ еЄ образует".

(ƒетали своего достижени€ Ќельсон и соавторы изложили в статье в Applied Physics Letters.)

—оздатели плавающих микророботов полагают, что в будущем такие устройства смогут точечно поставл€ть лекарства к очагам поражени€ внутри человека. ѕри этом такой способ выгодно отличаетс€ от пр€мого перет€гивани€ каких-либо капсул магнитом. ¬едь дл€ движени€ ABF необходимо приложить очень слабое, совершенно безопасное поле (1-2 миллитесла).

ћожно, конечно, заставить перевозить полезный груз и живые клетки, но тут придЄтс€ полагатьс€ на их собственные "соображени€", куда нужно двигатьс€.

ƒругие высокотехнологичные варианты вроде нанокапсул и нанобиозондов отличаютс€ тем, что за доставку к цели там отвечают специфические наночастицы или молекул€рные комплексы, своего рода "ключи", узнающие "замки" на поверхности целевых клеток. Helical Swimming Microrobot не требуетс€ такой "интеллект", а гарантией попадани€ в €блочко будет умение управл€ющей магнитами программы.

ѕравда, Ќельсон говорит: "ƒл€ применени€ новинки в организме человека в первую очередь нужно научитьс€ направл€ть ABF очень точно, отслежива€ их маршрут без оптического мониторинга, а также необходимо гарантировать их локализацию на всЄ врем€".

ƒл€ реализации такой цели авторы проекта намерены ещЄ уменьшить размер своих роботов и повысить их скорость движени€, равно как поработать над управл€ющей системой. Ќельсон уверен Ц спирали ABF найдут применение и в медицине, и в фундаментальных исследовани€х.

—оздатели Helical Swimming Microrobot радуютс€, что их боты так похожи на бактерии. ”чЄным не потребовались миллиарды лет, чтобы придумать прекрасный способ перемещени€ микрометровых объектов в жидкой среде — за исследователей это сделала ѕрирода.


 лючевые слова:
–оботы подобные животным
робот
робототехника


¬ернутьс€ в рубрику:

–оботы-животные


≈сли вы хотите видеть на нашем сайте больше статей то кликните ѕоделитьс€ в социальных сет€х! —пасибо!
—мотрите также:

ќбратите внимание полезна€ информаци€.