Baktérium méretű egészségügyi mikrorobotok

AZ ETH Zürich kutatói első alkalommal fejlesztettek baktérium nagyságú mikrorobotokat. Céljuk az emberek gyógyítása

A robotok úgy néznek ki, mint apró fejjel felszerelt spirálok, és úgy haladnak át a folyadékon, mint a miniatűr dugóhúzók. Amikor mozognak, suta baktériumokhoz hasonlítanak hosszú, ostorszerű farokkal. A robotok csak mikroszkóp alatt látszanak, mivel teljes hosszuk 25-60 mikrométer, majdnem olyan apróak, mint a természetes, ostoros baktériumok. A legtöbbjük 5-15 mikrométer hosszú, néhány eléri a több mint 20 mikrométeres nagyságot.

Az apró, spirál alakú, az E. coli és egyéb baktériumokat imitáló „Mesterséges  Bakteriális Ostorok” (Artificial Bacterial Flagella vagy ABF) esetén, a "flagella" az ostorszerű farokra utal. A robotokat a Bradley Nelson vezette kutatócsapat találta fel és fejlesztette ki a zürichi Műszaki Főiskolában. Természetes modelljeikkel ellentétben, melyek betegségeket okoznak, az ABF-eket arra fejlesztették ki, hogy a jövőben a betegségeket kezeljék.

Ezen mesterséges baktériumok gyakorlati megvalósítását az öntekercselő technika tette lehetővé, melyből a spirál alakú ABF-eket kifejlesztették. A robotokat úgy alkották meg, hogy megfelelő sorrendben hordozóanyagra gőzülték az indium, gallium, arzén és króm elemek ultravékony rétegeit. Ezt követően a litográfia és metszetkészítés eszközeivel szupervékony, nagyon hosszú szalagokat hoztak létre, melyek spirális alakba göngyölik fel magukat amint leválasztják azokat a hordozóanyagról, a számos réteg egyenlőtlen molekularácsozatának struktúrái miatt.

A lerakódott réteg vastagságától és kompozíciójától függően, különböző méretű spirálok formálhatóak, melyeket a kutatók pontosan meg tudnak határozni. Nelson szerint, nemcsak azt tudják definiálni, milyen apró legyen a spirál, hanem azt is, hogy a spirált alkotó szalag milyen irányban tekercselődjön. Mielőtt a később mesterséges ostorként működő szalagot leválasztanák, egyfajta fejet rögzítenek a mini robot számára az egyik végre. Ez króm-nikkel-arany, háromrétegű filmből áll, melyet szintén gőzölnek. A nikkel gyengén mágneses, míg a több alkalmazott anyag nem.

Nelson magyarázata szerint ezen apró mágneses fej lehetővé teszi, hogy az ABF a megfelelő módon mozogjon a mágneses mezőben. A spirál alakú robot átúszik a folyadékon, mozgása mikroszkóp alatt megfigyelhető és rögzíthető. A csoport által kifejlesztett szoftverrel a robot a kiválasztott célponthoz kormányozható úgy, hogy a számos tekercs által keltett forgó mágneses mező irányát és erejét beállítják. A robotok előre-hátra, fel és le, illetve hátrafelé is mozgathatóak, emellett képesek minden irányba elfordulni. A robotoknak nincs szükségük saját energiára az úszáshoz, és nem rendelkeznek mozgó alkatrésszel sem. Az egyetlen meghatározó tényező a mágneses mező, amely felé az apró fej állandó jelleggel igyekszik betájolni magát, és amelynek irányába mozog.

Az ABF-ek jelenleg 20 mikrométeres sebességgel úsznak másodpercenként. Nelson arra számít, hogy a sebességet másodpercenkénti több mint 100 mikrométerre tudják növelni. Összehasonlításképpen az E. coli baktérium 30 mikrométeres sebességgel úszik szekundumonként. A robotokat bioegészségügyi alkalmazásra tervezték. Például a szervezetben előre meghatározott célpontokhoz szállíthatnak gyógyszereket, eltávolíthatják a plakk lerakódásokat az artériákban, vagy segíthetik a biológusokat módosítani azon sejtstruktúrákat, melyek túl apróak a kutatók számára a közvetlen manipuláláshoz.

A kezdeti kísérletek során a kutatók elérték, hogy a robotok polisztirol mikrogömböket szállítsanak ide-oda. Jelenleg a csapat még az alapkutatásoknál tart. További vizsgálatok szükségesek, mielőtt bármiféle gyakorlati alkalmazásra kerülne sor. Nelson szerint az emberi szervezetben történő alkalmazáshoz először pontos irányításra van szükség, optikai felügyelet nélkül követéssel. Amennyiben a robotok gyógyszereket szállítanak, először mindent megvalósítható módon kell kifejleszteni, majd arra is szükség van, hogy a robotok a gyógyszert pontosan a megfelelő helyen tudják kiengedni.