میکروربات‌هایی که برای رساندن دارو به سلول‌های بیمار طراحی شده‌اند، از لارو ستاره‌های دریایی الهام می‌گیرند

محققان ETH زوریخ یک ربات کوچک ساخته اند که حرکت لارو ستاره دریایی را تقلید می کند. توسط امواج صوتی هدایت می شود و مجهز به موهای ریز است که مایع اطراف آن را هدایت می کند، درست مانند مدل طبیعی آن. در آینده، چنین ریزشناگرهایی می توانند داروها را با دقت دقیق به سلول های بیمار برسانند.

در میان دانشمندان، علاقه زیادی به ماشین های کوچکی وجود دارد که قرار است انقلابی در پزشکی ایجاد کنند. این میکروربات‌ها که اغلب تنها کسری از قطر یک مو هستند، ساخته شده‌اند تا در بدن شنا کنند تا دارو را به مناطق خاصی برسانند و کوچک‌ترین روش‌های جراحی را انجام دهند.

طراحی این ربات ها اغلب از میکروارگانیسم های طبیعی مانند باکتری ها یا جلبک ها الهام گرفته شده است. اکنون، برای اولین بار، یک گروه تحقیقاتی در ETH زوریخ یک طرح میکروربات با الهام از لارو ستاره‌های دریایی طراحی کرده‌اند که از نوارهای مژگانی روی سطح خود برای شنا و تغذیه استفاده می‌کنند. سیستم مصنوعی فعال شده با امواج فراصوت، آرایش طبیعی نوارهای مژگانی ستاره دریایی را تقلید می کند و از آکوستیک غیرخطی برای تکرار حرکت و تکنیک های دستکاری لارو استفاده می کند.

مو برای بیرون راندن مایع یا مکیدن آن

در نگاه اول، ریز ربات ها تنها شباهت کمی به لارو ستاره دریایی دارند. ستاره دریایی در مرحله لاروی خود دارای بدنی لوبی است که عرض آن فقط چند میلی متر است. در همین حال، میکروربات یک مستطیل و ده برابر کوچکتر است و عرض آن فقط یک چهارم میلی متر است. اما این دو دارای یک ویژگی مهم هستند: یک سری موهای ظریف و متحرک روی سطح، به نام مژه.

لارو ستاره دریایی با صدها هزار تار مو پوشیده شده است. آنها به صورت ردیفی چیده شده اند و به صورت هماهنگ به جلو و عقب می زنند و در آب اطراف گرداب ایجاد می کنند. جهت گیری نسبی دو ردیف، نتیجه نهایی را تعیین می کند: متمایل کردن دو نوار مژک کوبنده به سمت یکدیگر، گردابی با اثر رانش ایجاد می کند و لارو را به حرکت در می آورد. از سوی دیگر، متمایل کردن دو نوار از یکدیگر، گردابی ایجاد می‌کند که مایع را به داخل می‌کشد و ذراتی را که لارو از آنها تغذیه می‌کند به دام می‌اندازد.

شناگران مصنوعی سریعتر می زنند

این مژک‌ها عنصر اصلی طراحی میکروربات جدید بودند که توسط محققان ETH به رهبری دانیل احمد، که پروفسور رباتیک آکوستیک برای علوم زیستی و مراقبت‌های بهداشتی است، توسعه یافتند. احمد گفت: «در ابتدا می‌خواستیم آزمایش کنیم که آیا می‌توانیم گرداب‌هایی شبیه گرداب‌های لارو ستاره‌های دریایی با ردیف‌هایی از مژک‌های متمایل به هم یا دور از یکدیگر ایجاد کنیم.

برای این منظور، محققان از فوتولیتوگرافی برای ساخت یک میکروربات با نوارهای مژگانی متمایل به مناسب استفاده کردند. سپس امواج اولتراسوند را از یک منبع خارجی برای نوسان کردن مژک استفاده کردند. نسخه های مصنوعی بیش از ده هزار بار در ثانیه به جلو و عقب می زند – تقریباً هزار برابر سریعتر از لاروهای یک ستاره دریایی. و مانند لارو، از این مژک‌های کوبنده می‌توان برای تولید یک گرداب با اثر مکش در جلو و یک گرداب با اثر رانش در عقب استفاده کرد، که اثر ترکیبی ربات را به سمت جلو «پرتاب می‌کند».

محققان در آزمایشگاه خود نشان دادند که میکروربات‌ها می‌توانند در یک خط مستقیم از میان مایعاتی مانند آب شنا کنند. افزودن مهره های پلاستیکی ریز به آب امکان تجسم گردابه های ایجاد شده توسط میکروربات را فراهم کرد. نتیجه شگفت‌انگیز است: هم لارو ستاره‌های دریایی و هم میکروربات‌ها الگوهای جریان تقریباً یکسانی تولید می‌کنند.

سپس، محققان نوارهای مژگانی را به گونه‌ای مرتب کردند که یک گرداب مکش در کنار یک گرداب رانش قرار می‌گیرد و از روش تغذیه استفاده شده توسط لارو ستاره‌های دریایی تقلید می‌کند. این ترتیب روبات‌ها را قادر می‌سازد تا ذرات را جمع‌آوری کرده و در جهتی از پیش تعیین‌شده به بیرون بفرستند.

سونوگرافی مزایای زیادی دارد

احمد متقاعد شده است که این نوع جدید میکروربات برای استفاده در پزشکی در آینده قابل پیش بینی آماده خواهد شد. این به این دلیل است که سیستمی که فقط به اولتراسوند متکی است مزایای تعیین کننده ای دارد: امواج اولتراسوند در حال حاضر به طور گسترده در تصویربرداری استفاده می شود، به اعماق بدن نفوذ می کند و هیچ خطری برای سلامتی ندارد.

او اضافه می کند که این واقعیت که این درمان فقط به یک دستگاه اولتراسوند نیاز دارد، آن را ارزان می کند و از این رو برای استفاده در کشورهای توسعه یافته و در حال توسعه مناسب است.

احمد معتقد است که یکی از زمینه های کاربردی اولیه می تواند درمان تومورهای معده باشد. جذب داروهای معمولی از طریق انتشار ناکارآمد است، اما داشتن میکروربات‌ها دارو را به طور خاص به محل تومور معده منتقل می‌کنند و سپس آن را در آنجا تحویل می‌دهند، ممکن است جذب دارو به سلول‌های تومور را کارآمدتر کرده و عوارض جانبی را کاهش دهد.

تصاویر واضح تر به لطف عوامل کنتراست

اما قبل از تحقق این چشم انداز، یک چالش بزرگ باقی مانده است که باید بر آن غلبه کرد: تصویربرداری. هدایت ماشین‌های کوچک به مکان مناسب مستلزم ایجاد یک تصویر واضح در زمان واقعی است. محققان برنامه‌هایی دارند تا با استفاده از مواد کنتراست مانند مواردی که قبلاً در تصویربرداری پزشکی با اولتراسوند استفاده می‌شد، میکروربات‌ها را بیشتر قابل مشاهده کنند.

علاوه بر کاربردهای پزشکی، احمد پیش‌بینی می‌کند که این طرح الهام گرفته از ستاره‌های دریایی پیامدهای مهمی برای دستکاری کوچک‌ترین حجم‌های مایع در تحقیقات و صنعت داشته باشد. نوارهای کوبنده مژه ها می توانند کارهایی مانند مخلوط کردن، پمپاژ و به دام انداختن ذرات را انجام دهند.