Спиральный робот перенял у бактерий стиль плавания
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).
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).
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).
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).
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 (мы видели такие эксперименты — простой и более сложный), 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.