Колебания воздушного пузыря превратили микроробота в клеточный тягач

Американские и китайские инженеры создали микроробота, способного двигаться, а также толкать и тянуть небольшие объекты, например, клетки. Он состоит из корпуса в форме сосуда, внутри которого располагается воздух. При воздействии звука на границе воздуха и воды в роботе возникает толкающая сила, двигающая его вперед, а магнитное поле позволяет поворачивать робота и задавать направление его движения, рассказывают авторы статьи в Science Advances.

Технологические и физические ограничения не позволяют создавать микроскопических роботов с гребными винтами и другими привычными двигательными механизмами. Это вынуждает разработчиков микророботов использовать другие принципы для движения и управления. Самый распространенный метод — магнитное управление, заключающееся в простом притягивании частицы-микроробота в нужную сторону. Кроме того, есть микророботы, двигающие себя сами благодаря реактивной силе из-за выделения водорода. Однако, поскольку в них применяется химическая реакция, такие роботы имеют сильно ограниченный срок службы.

Инженеры под руководством Томаса Маллука (Thomas Mallouk) из Университета штата Пенсильвания создали робота, которому для движения необходимы внешние воздействия, но тягу он при этом создает самостоятельно. По конструкции робот представляет собой цилиндрический сосуд с усеченным концом. Его длина составляет 7,5 микрометров, а ширина достигает 5 микрометров. Инженеры вырезали такие цилиндры из полимера с помощью лазерной литографии, а затем покрыли дно цилиндра никелем, а потом обе стороны поверхности золотом. После этого цилиндры обрабатывали трихлорсиланом, благодаря чему поверхность стала гидрофобной.

Благодаря гидрофобности при погружении в воду внутри цилиндра остается и относительно надежно фиксируется пузырь воздуха. Именно пузырь позволяет роботу двигаться вперед. Для этого инженеры использовали комбинацию из акустического и магнитного воздействий. Акустические колебания на частоте от одного до трех мегагерц создаются пьезоэлектрическим излучателем на дне сосуда с водой и микророботами. Эти колебания заставляют колебаться границу между водой и воздухом на конце робота. Из-за асимметричной конструкции суммарная сила, возникающая из-за колебаний границы раздела, направлена в сторону от открытого конца цилиндра.

Кроме того, на цилиндр также воздействуют первичная и вторичная силы Бьеркнеса. Первичная сила возникает из-за рассеяния исходных колебаний колебаниями границы фаз, но она на порядок меньше основной толкающей силы. Вторичная сила имеет большую величину и вызвана наличием дна рядом с цилиндром и пузырем внутри него. Дно можно рассматривать в качестве воображаемого пузыря-двойника, находящегося рядом и колеблющегося с такой же частотой, как и реальный пузырь. Из-за этого между двумя пузырями (на самом деле между пузырем в цилиндре и дном) возникает притяжение.

Магнитное поле не отвечает непосредственно за движение робота, а лишь позволяет наклонять его в нужную сторону. Авторы продемонстрировали потенциальные применения разработки, показав, что с помощью таких роботов можно двигать сопоставимые с ним по размеру и массе частицы, в том числе клетки HeLa и кремниевые частицы. Кроме того, инженеры обнаружили, что при высоком акустическом давлении частицы могут притягиваться к цилиндру, что позволяет не толкать, а тащить их. Это притяжение возникает из-за сил, воздействующих на объекты вблизи колеблющегося пузыря. Наконец, авторы показали, что при определенных условиях притяжение к твердой границе позволяет роботу взбираться вверх по ступенькам.

Ранее мы рассказывали и о других микророботах с необычной конструкцией или принципом движения. Например, в прошлом году немецкие ученые создали доставщик веществ внутри организма, состоящий из скрепленных между собой бактерии и эритроцита. Бактерия имеет жгутик и отвечает за движение вперед, а эритроцит содержит суперпарамагнитные частицы, позволяющие поворачивать всю пару.

Григорий Копиев