Εύρεση έμπνευσης στην προνύμφη του αστερία


Το νέο μικρορομπότ εμπνευσμένο από την προνύμφη του αστερία ανακατεύει πλαστικές χάντρες. (Εικόνα: Cornel Dillinger/ETH Zurich)

Της Rahel Künzler

Μεταξύ των επιστημόνων, υπάρχει μεγάλο ενδιαφέρον για μικροσκοπικές μηχανές που πρόκειται να φέρουν επανάσταση στην ιατρική. Αυτά τα μικρορομπότ, συχνά μόνο ένα κλάσμα της διαμέτρου μιας τρίχας, κατασκευάζονται για να κολυμπούν μέσα στο σώμα για να παρέχουν φάρμακα σε συγκεκριμένες περιοχές και να εκτελούν τις μικρότερες χειρουργικές επεμβάσεις.

Τα σχέδια αυτών των ρομπότ είναι συχνά εμπνευσμένα από φυσικούς μικροοργανισμούς όπως βακτήρια ή φύκια. Τώρα, για πρώτη φορά, μια ερευνητική ομάδα στο ETH Zurich ανέπτυξε ένα σχέδιο μικρορομπότ εμπνευσμένο από την προνύμφη του αστερία, που χρησιμοποιεί ακτινωτές ταινίες στην επιφάνειά τους για να κολυμπήσουν και να τραφούν. Το συνθετικό σύστημα που ενεργοποιείται με υπερήχους μιμείται τις φυσικές διατάξεις των ακτινωτών ζωνών του αστερία και αξιοποιεί τη μη γραμμική ακουστική για την αναπαραγωγή της κίνησης και των τεχνικών χειρισμού της προνύμφης.

Τρίχες για να απομακρύνουν το υγρό ή να το ρουφήξουν μέσα

Ανάλογα με το αν κολυμπάει ή τρέφεται, η προνύμφη του αστερία δημιουργεί διαφορετικά σχέδια δίνων. (Εικόνα: Prakash Lab, Πανεπιστήμιο Στάνφορντ)

Με την πρώτη ματιά, τα μικρορομπότ έχουν ελάχιστη ομοιότητα με την προνύμφη του αστερία. Στο στάδιο της προνύμφης του, ένας αστερίας έχει ένα λοβωτό σώμα που έχει διάμετρο μόλις μερικά χιλιοστά. Εν τω μεταξύ, το μικρορομπότ είναι ένα ορθογώνιο και δέκα φορές μικρότερο, μόλις ένα τέταρτο του χιλιοστού σε διάμετρο. Αλλά και οι δύο μοιράζονται ένα σημαντικό χαρακτηριστικό: μια σειρά από λεπτές, κινούμενες τρίχες στην επιφάνεια, που ονομάζονται βλεφαρίδες.

Μια προνύμφη αστερίας καλύπτεται με εκατοντάδες χιλιάδες από αυτές τις τρίχες. Τακτοποιημένα σε σειρές, χτυπούσαν μπρος-πίσω με συντονισμένο τρόπο, δημιουργώντας δίνες στα γύρω νερά. Ο σχετικός προσανατολισμός δύο σειρών καθορίζει το τελικό αποτέλεσμα: Η κλίση δύο λωρίδων χτυπημένων βλεφαρίδων η μια προς την άλλη δημιουργεί μια δίνη με αποτέλεσμα ώθησης, προωθώντας την προνύμφη. Από την άλλη πλευρά, η κλίση δύο λωρίδων μακριά η μία από την άλλη δημιουργεί μια δίνη που τραβάει υγρό μέσα, παγιδεύοντας σωματίδια από τα οποία τρέφεται η προνύμφη.

Οι τεχνητοί κολυμβητές χτυπούν πιο γρήγορα

Αυτές οι βλεφαρίδες ήταν το βασικό στοιχείο σχεδιασμού για το νέο μικρορομπότ που αναπτύχθηκε από ερευνητές ETH με επικεφαλής Ντανιέλ Αχμέντ, ο οποίος είναι Καθηγητής Ακουστικής Ρομποτικής για τις βιοεπιστήμες και την υγεία. «Στην αρχή», είπε ο Αχμέντ, «θέλαμε απλώς να δοκιμάσουμε αν μπορούσαμε να δημιουργήσουμε δίνες παρόμοιες με αυτές της προνύμφης του αστερία με σειρές βλεφαρίδων κεκλιμένες η μία προς ή μακριά από την άλλη.

Για το σκοπό αυτό, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν φωτολιθογραφία για να κατασκευάσουν ένα μικρορομπότ με κατάλληλα κεκλιμένες ακτινωτές ταινίες. Στη συνέχεια εφάρμοσαν υπερηχητικά κύματα από εξωτερική πηγή για να κάνουν τις βλεφαρίδες να ταλαντωθούν. Οι συνθετικές εκδόσεις χτυπούν μπρος-πίσω περισσότερες από δέκα χιλιάδες φορές το δευτερόλεπτο – περίπου χίλιες φορές πιο γρήγορα από αυτές μιας προνύμφης αστερίας. Και όπως και με την προνύμφη, αυτές οι βλεφαρίδες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να δημιουργήσουν μια δίνη με αποτέλεσμα αναρρόφησης στο μπροστινό μέρος και μια δίνη με αποτέλεσμα ώθησης στο πίσω μέρος, με το συνδυασμένο αποτέλεσμα να «εκτοξεύει» το ρομπότ προς τα εμπρός.

Εκτός από το κολύμπι, το νέο μικρορομπότ μπορεί να συλλέγει σωματίδια και να τα κατευθύνει σε μια προκαθορισμένη κατεύθυνση. (Βίντεο: Cornel Dillinger/ETH Zurich)

Στο εργαστήριό τους, οι ερευνητές έδειξαν ότι τα μικρορομπότ μπορούν να κολυμπήσουν σε ευθεία γραμμή μέσα από υγρό όπως το νερό. Η προσθήκη μικροσκοπικών πλαστικών σφαιριδίων στο νερό κατέστησε δυνατή την οπτικοποίηση των στροβιλισμών που δημιουργήθηκαν από το μικρορομπότ. Το αποτέλεσμα είναι εκπληκτικό: τόσο η προνύμφη του αστερία όσο και τα μικρορομπότ δημιουργούν σχεδόν πανομοιότυπα μοτίβα ροής.

Στη συνέχεια, οι ερευνητές τακτοποίησαν τις ακτινωτές λωρίδες έτσι ώστε μια δίνη αναρρόφησης να τοποθετηθεί δίπλα σε μια δίνη ώθησης, μιμούμενη την τεχνική τροφοδοσίας που χρησιμοποιείται από την προνύμφη του αστερία. Αυτή η διάταξη επέτρεψε στα ρομπότ να συλλέγουν σωματίδια και να τα στέλνουν προς μια προκαθορισμένη κατεύθυνση.

Το υπερηχογράφημα προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα

Ο Ahmed είναι πεπεισμένος ότι αυτός ο νέος τύπος μικρορομπότ θα είναι έτοιμος για χρήση στην ιατρική στο άμεσο μέλλον. Αυτό συμβαίνει επειδή ένα σύστημα που βασίζεται μόνο στον υπέρηχο προσφέρει αποφασιστικά πλεονεκτήματα: τα κύματα υπερήχων χρησιμοποιούνται ήδη ευρέως στην απεικόνιση, διεισδύουν βαθιά μέσα στο σώμα και δεν ενέχουν κινδύνους για την υγεία.

«Το όραμά μας είναι να χρησιμοποιήσουμε υπερήχους για προώθηση, απεικόνιση και χορήγηση φαρμάκων».

– Daniel Ahmed

Το γεγονός ότι αυτή η θεραπεία απαιτεί μόνο μια συσκευή υπερήχων την καθιστά φθηνή, προσθέτει, και επομένως κατάλληλη για χρήση τόσο στις ανεπτυγμένες όσο και στις αναπτυσσόμενες χώρες.

Ο Ahmed πιστεύει ότι ένα αρχικό πεδίο εφαρμογής θα μπορούσε να είναι η θεραπεία γαστρικών όγκων. Η πρόσληψη συμβατικών φαρμάκων με διάχυση είναι αναποτελεσματική, αλλά το να μεταφέρουν τα μικρορομπότ ένα φάρμακο ειδικά στη θέση ενός όγκου στομάχου και στη συνέχεια να το παραδώσουν εκεί, μπορεί να κάνει την πρόσληψη του φαρμάκου στα καρκινικά κύτταρα πιο αποτελεσματική και να μειώσει τις παρενέργειες.

Ευκρινέστερες εικόνες χάρη στους παράγοντες αντίθεσης

Αλλά προτού υλοποιηθεί αυτό το όραμα, απομένει να ξεπεραστεί μια μεγάλη πρόκληση: η απεικόνιση. Για να κατευθύνετε τα μικροσκοπικά μηχανήματα στη σωστή θέση απαιτείται η δημιουργία ευκρινούς εικόνας σε πραγματικό χρόνο. Οι ερευνητές έχουν σχέδια να κάνουν τα μικρορομπότ πιο ορατά με την ενσωμάτωση σκιαγραφικών παραγόντων όπως αυτά που χρησιμοποιούνται ήδη στην ιατρική απεικόνιση με υπερήχους.

Εκτός από τις ιατρικές εφαρμογές, ο Ahmed αναμένει ότι αυτό το σχέδιο εμπνευσμένο από τον αστερία θα έχει σημαντικές συνέπειες για τον χειρισμό των μικρότερων όγκων υγρών στην έρευνα και στη βιομηχανία. Οι ζώνες από βλεφαρίδες θα μπορούσαν να εκτελέσουν εργασίες όπως ανάμιξη, άντληση και παγίδευση σωματιδίων.

Αυτό το άρθρο δημοσιεύτηκε αρχικά στην επίσημη ιστοσελίδα του ETH Ζυρίχης. Διαβάστε το αρχικό άρθρο εδώ.

ετικέτες: ,



ETH Ζυρίχης
είναι ένα από τα κορυφαία διεθνή πανεπιστήμια για την τεχνολογία και τις φυσικές επιστήμες.

Το ETH Zurich είναι ένα από τα κορυφαία διεθνή πανεπιστήμια για την τεχνολογία και τις φυσικές επιστήμες.



Source link

By koutsobolis

koutsobolis.com

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται.