Ένας στρατός μικροσκοπικών ρομπότ είναι έτοιμος να περιπολεί το σώμα σας

Αν ήθελα να φανταστώ φουτουριστικά ρομπότ που θα μπορούσαν να φέρουν επανάσταση τόσο στη μικρο-ρομποτική όσο και στην ιατρική, ένα Pop-Tart με τέσσερα στραβά πόδια  δεν θα ήταν στην κορυφή της λίστας μου.

Έκανα τόσο λάθος.

Artistic depiction of an army of microscopic robots, by Criss Hohmann

Την περασμένη εβδομάδα, ο Δρ. Οι Marc Miskin *, Itai Cohen και Paul McEuen στο Πανεπιστήμιο του Κορνέλ ηγήθηκαν μιας συνεργασίας που αντιμετώπισε ένα από τα πιο πιεστικά προβλήματα στη μικρο-ρομποτική – κάνοντας αυτά τα ρομπότ να κινηθούν με ελεγχόμενο τρόπο, με κινητήρες που επιτρέπουν σε ένα ρομπότ να κινηθεί.

Σε αυτήν την περίπτωση, οι ενεργοποιητές αποτελούν τα πόδια του ρομπότ.

Κάθε ένα μικρότερο από το πλάτος μιας ανθρώπινης τρίχας, τα ρομπότ έχουν ένα μπλοκ σώμα εξοπλισμένο με ηλιακά κύτταρα και δύο ζεύγη ποδιών πλατίνας, τα οποία μπορούν να ενεργοποιηθούν ανεξάρτητα για κάμψη χρησιμοποιώντας ακριβή λέιζερ.

Ο έλεγχος είναι τόσο ακριβής που η ομάδα μπόρεσε να ταλαντεύσει ταυτόχρονα τα πόδια ενός τάγματος των microbots σε μια συντονισμένη «πορεία».

Εάν δεν έχετε εντυπωσιαστεί ακόμα, υπάρχουν περισσότερα: σε αντίθεση με τα προηγούμενα μικρο-ρομπότ που βασίστηκαν στον μαγνητισμό για να κινηθούν, αυτά είναι βασικά μικροσκοπικά ρομπότ.

Όπως το BigDog, έχουν μηχανικά πόδια που ελέγχονται με ηλεκτρονικά εξαρτήματα με βάση το πυρίτιο.

Αυτό σημαίνει ότι είναι δυνατή η μαζική κατασκευή των bots χρησιμοποιώντας δεκαετίες εμπειρίας νανοκατασκευής, παρόμοια με αυτήν που κατασκευάζουμε αυτήν τη στιγμή τσιπ υπολογιστών.

Επειδή οι «εγκέφαλοι» των ρομπότ είναι συμβατικοί και βασίζονται σε κλασικά ηλεκτρονικά κυκλώματα, αυτό σημαίνει επίσης ότι μπορούν να ενσωματωθούν πιο εύκολα με τα υπάρχοντα λογικά κυκλώματα για να δημιουργήσουν ακόμη και «πιο έξυπνες» επόμενες γενιές που ανταποκρίνονται σε πιο περίπλοκες εντολές.

«[Οι συγγραφείς] χρησιμοποίησαν μια νέα ιδέα σχεδιασμού για τα μικροσκοπικά ρομπότ τους», έγραψε ο Δρ. Ο Allan Brooks και ο Michael Strano στο MIT σε ένα συνοδευτικό.. «Επειδή οι ενεργοποιητές μπορούν να λειτουργούν με ηλεκτρικά ρεύματα χαμηλής ισχύος που συνήθως ρέουν μέσω ηλεκτρονικών κυκλωμάτων, οι αισθητήρες και τα λογικά εξαρτήματα θα μπορούσαν να ενσωματωθούν απρόσκοπτα με τους ενεργοποιητές… Αυτό ανοίγει τις πόρτες για τα τελευταία 50 χρόνια έρευνας μικροηλεκτρονικής που θα ενσωματωθούν σε ρομπότ τόσο μικρά που δεν μπορούν να τα δουν από το ανθρώπινο μάτι. “

Γιατί Microbots;

Τα μικροσκοπικά ρομπότ έχουν συλλάβει από καιρό τη φαντασία μας, ειδικά για την υπόσχεσή τους στην ιατρική.

Στη δεκαετία του εξήντα, τόσο το Χόλιγουντ όσο και ο διάσημος φυσικός Δρ. Ρίτσαρντ Φέιμαν φαντάστηκαν ομάδες «πόσιμων χειρουργών» που περιφέρονται στο σώμα και πραγματοποιούν χειρουργικές επεμβάσεις κατόπιν αιτήματος.

Καθώς οι τεχνικές μικρο-και νανο-κατασκευής ωρίμασαν τις τελευταίες δεκαετίες, ο στόχος της δημιουργίας βιοσυμβατών ρομπότ μεγέθους κυττάρων που περιπολούν το σώμα μας μοιάζει λιγότερο με επιστημονική φαντασία και περισσότερο σαν επιστημονική βεβαιότητα.

Ετσι είναι, με κάποιες σοβαρές προκλήσεις στην πορεία.

Ένα βασικό είναι να επιτρέπει στα microbots να κινούνται αξιόπιστα μέσα στο σώμα.

Είναι ένα δύσκολο πρόβλημα. Το μικροπεριβάλλον του σώματος είναι ως επί το πλείστον υγρό, πράγμα που σημαίνει ότι τα μικρόβια αντιμετωπίζουν σημαντικές δυνάμεις έλξης που περιορίζουν την ορμή τους.

Για την επίλυση του προβλήματος της κίνησης, οι επιστήμονες έχουν σχεδιάσει μικρο-ρομπότ που ανταποκρίνονται σε ελεγκτές φωτός, ήχου, μαγνητισμού, θερμοκρασίας ή χημικών, ανέφεραν οι συγγραφείς.

Για παράδειγμα, υπάρχουν ήδη μικροσκοπικά ρομπότ που μοιάζουν με σκουλήκια που μπορούν να περπατούν, να πηδούν, να κυλούν ή ακόμα και να κολυμπούν χρησιμοποιώντας μαγνήτες για να ελέγχουν την κίνησή τους στο τραχύ τοπίο του ανθρώπινου ιστού.

Αν και δημιουργικές και έξυπνες, αυτές οι σχεδιαστικές έννοιες βασικά χτίζουν το κέντρο ελέγχου του ρομπότ – τον “εγκέφαλό του” – από την αρχή.

Γιατί να μην αντλήσετε αντ ‘αυτού τη σχεδίαση μικροηλεκτρονικής και κυκλωμάτων, η οποία τροφοδοτεί ήδη τους υπολογιστές και τα τηλέφωνά μας για μισό αιώνα;

Αυτά τα πόδια είναι κατασκευασμένα για περπάτημα

Το μεγαλύτερο πρόβλημα, εξήγησαν οι συγγραφείς, είναι ότι τα ηλεκτρονικά ελεγχόμενα πόδια (ή ενεργοποιητές) είναι πραγματικά δύσκολο να δημιουργηθούν.

Έτσι ξεκίνησαν.

Η τελική λύση είναι εκπληκτικά απλή και πολύ κομψή.

Κάθε σκέλος αποτελείται από ένα φύλλο πλατίνας πάχους μόλις 7 νανομέτρων, χρησιμοποιώντας μια τυπική τεχνολογία εκτύπωσης ημιαγωγών (chip υπολογιστή) που ονομάζεται λιθογραφία. Στη συνέχεια, η μία πλευρά επικαλύπτεται με ένα ανενεργό υλικό όπως γραφένιο ή τιτάνιο.

Όταν βυθίζονται σε υγρό και με ηλεκτρικό ρεύμα, τα πόδια προσελκύουν σωματίδια στο νερό που συνδέονται με την εκτεθειμένη πλευρά του ποδιού, τραβώντας το και κάμπτοντάς το προς τα κάτω – εικόνα πιέζοντας ένα μεταλλικό φύλλο.

Προσθέτοντας στρατηγικά τμήματα στο πόδι διατηρώντας παράλληλα τις «αρθρώσεις» ελεύθερες, η ομάδα μπόρεσε να κάνει τα πόδια που κάμπτονται ή διπλώνονται σαν ιαπωνικά origami, μιμούνται χαλαρά τον τρόπο με τον οποίο λυγίζουν τα γόνατά μας όταν περπατάμε ή κολυμπούν.

Με αυτόν τον τρόπο, έκαναν ενεργοποιητές που φαίνεται να «κολυμπούν»: με ​​ρεύμα, τα πόδια κάμπτονται σε εμπρός θέση. χωρίς αυτό, χαλαρώνουν σε μια κίνηση προς τα πίσω.

Η τελική δοκιμή είναι να δούμε αν αυτοί οι νέοι ενεργοποιητές λειτουργούν πραγματικά – και εκεί έρχονται τα μικρόβια Poptart.

Η ομάδα σχεδίασε τα bots έτσι ώστε το καθένα να έχει δύο ηλιακά κελιά στα μπλοκ σώματα τους. Παρόμοια με τα ηλιακά μας πάνελ, αυτά τα κύτταρα μετατρέπουν την ελαφριά ενέργεια σε ηλεκτρισμό – ως εκ τούτου, παρέχοντας το ζάρι της ηλεκτρικής ενέργειας τα πόδια πρέπει να αρχίσουν να κινούνται. Ένα ηλιακό κελί ελέγχει τα μπροστινά πόδια. τα άλλα τα πίσω.

Φωτίζοντας ένα φως διαδοχικά μεταξύ των εμπρός και πίσω ηλιακών κυττάρων, η ομάδα θα μπορούσε να ενεργοποιήσει τα μπροστινά και πίσω πόδια των ρομπότ με τρόπο που ωθεί το σώμα προς τα εμπρός. Αν και είναι λίγο ασταθής και ελαφρώς αδέξια, τα bots κατάφεραν να κλιμακώσουν τις ανώμαλες επιφάνειες, κινούνται περίπου ένα μήκος σώματος ανά λεπτό.

Με πλάτος μόλις 40 μm και μήκος 70 μm – μικρότερο από μονοκύτταρα φύκια, το πλάτος της μέσης ανθρώπινης τρίχας και ισοδύναμο με έναν κόκκο αλατιού – τα ρομπότ είναι τα μικρότερα μικρόβια με ενσωματωμένα ηλεκτρονικά.

Είναι επίσης εκπληκτικά σκληρό: μπορούν να επιβιώσουν εύκολα από αλλαγές θερμοκρασίας έως 100F και πάνω από δώδεκα τάξεις μεγέθους σε συγκεντρώσεις οξέος. Το μικρό τους μέγεθος καθιστά εύκολο για αυτούς να απορροφηθούν από τις στενότερες βελόνες χωρίς ζημιά και να διατηρήσουν τη δομή και τη λειτουργία τους μετά την ένεση σε μια αμοιβάδα.

Μικρά Bots, Μεγάλα Αλματα 

Επειδή και οι ενεργοποιητές και τα σώματα κατασκευάζονται με τη χρήση τυποποιημένης λιθογραφίας, τα ρομπότ μπορούν να κατασκευαστούν εύκολα παράλληλα: έως και ένα εκατομμύριο bots σε μια γκοφρέτα πυριτίου τεσσάρων ιντσών.

Αυτή η μαζική προσέγγιση σημαίνει ότι είναι εξαιρετικά φθηνές κατασκευές: περίπου  (0,001 $). Καθώς οι τεχνικές μικροκατασκευής συνεχίζουν να ωριμάζουν, το κόστος πιθανότατα θα μειωθεί ακόμη περισσότερο.

Προς το παρόν, τα bots απαιτούν πολύ χαμηλή ισχύ – περίπου 10 nanowatts – αλλά είναι επίσης μάλλον υποτυπώδη. Πρώτον, δεν είναι ακριβώς πλήρως αυτόνομα: δεν διαθέτουν ενσωματωμένη πηγή ενέργειας, που σημαίνει ότι πρέπει να συνδέονται με μια εξωτερική πηγή ενέργειας και πληροφοριών όπως μια μαριονέτα.

Αυτό δεν σημαίνει ότι είναι μια χαμένη στρατηγική.

«Το πλεονέκτημα της προσέγγισης της μαριονέτας είναι ότι επιτρέπει τη δοκιμή λειτουργικών εξαρτημάτων χωρίς να χρειάζεται να ενσωματωθεί ένα ενσωματωμένο τροφοδοτικό και υπολογιστικά κυκλώματα. Αυτή η ολοκλήρωση παρουσιάζει τεχνολογικά προβλήματα που δεν έχουν ακόμη επιλυθεί πλήρως», ανέφεραν οι Brooks και Strano.

Η στρατηγική θα μπορούσε, για παράδειγμα, να βοηθήσει στη διάγνωση ή τη θεραπεία του επιφανειακού ιστού, όπως τα μάτια.

Τελικά, ωστόσο, για να έχουν πρακτικά νόημα τα bots, θα πρέπει να είναι πλήρως αυτόνομα και απαλλαγμένα από εξωτερικούς στόχους.

Ενώ εξακολουθεί να εξαρτάται από τη φαντασία του καθενός πώς αυτά τα ρομπότ μπορούν να μεταφέρουν τον δικό τους ενεργειακό εφοδιασμό, δεν υπάρχει αμφιβολία ότι έχουν ήδη ένα πόδι στο ότι μπορούν να αναβαθμιστούν πολύ πιο εύκολα.

Χάρη στον “κλασικό” εγκέφαλο που βασίζεται σε κύκλωμα, αυτά τα bots μπορούν να ενσωματωθούν πολύ πιο εύκολα με παραδοσιακά μικροηλεκτρονικά με βάση το πυρίτιο, σε σύγκριση με εκείνα, ας πούμε, που λειτουργούν σε μαγνήτες, φέρνοντάς μας πιο κοντά στο όραμα ενός “πόσιμου χειρουργού” 

«Ο έλεγχος ενός μικροσκοπικού ρομπότ είναι ίσως τόσο κοντά, όσο μπορείς να συρρικνωθείς. Νομίζω ότι τέτοιες μηχανές θα μας οδηγήσουν σε κάθε είδους καταπληκτικούς κόσμους που είναι πολύ μικροί για να τους δούμε », δήλωσε ο συγγραφέας της μελέτης Miskin.

* Ο Marc Miskin είναι τώρα στο Πανεπιστήμιο της Πενσυλβανίας. Η εργασία πραγματοποιήθηκε στο Πανεπιστήμιο Cornell, όπου ήταν μεταδιδακτορικός συνεργάτης.

Εικόνα: Marc Miskin. Μια θάλασσα από microbots πριν από την απελευθέρωση σε υγρό περιβάλλον.

ΠΗΓΗ

An Army of Microscopic Robots Is Ready to Patrol Your Body