Микроботы питаются от солнца и учатся плавать у инфузорий-туфелек

Создано экспериментальное устройство из материала, комбинирующего свойства жидких кристаллов и резины, которое способно, подобно инфузории, передвигаться, используя свет в качестве источника энергии.  9 Март 2016, 15:15
Инфузории-туфельки — поразительные существа. Они настолько крошечные, что обычная вода для них — густая, как мед. Несмотря на это, они передвигаются в ней, используя тысячи крошечных волосков, которые называют ресничками. Исследователи из Института Макса Планка в Штутгарте создали микроскопических роботов, практически невидимых для человеческого глаза, которые передвигаются аналогичным способом. В них не используются ни какие-либо сложные движители, ни методы внешнего воздействия, магнитные поля, например.
Светоуправляемые микропловцы: для тела робота, длина которого составляет чуть меньше одного миллиметра, был подобран специальный материал, который изменяет свою форму под воздействием зеленого света. В результате, происходят волноподобные сокращения тела и устройство при попадании на него света перемещается в противоположную сторону. (Источник изображения: Alejandro Posada/Max Planck Institute for Intelligent Systems, Stuttgart)
Команда ученых под руководством Пира Фишера создала экспериментальное устройство из материала, комбинирующего свойства жидких кристаллов и резины, которое способно, подобно инфузории, передвигаться, используя свет в качестве источника энергии. («Биомимитическое плавание и другие типы движения светочувствительного мягких микророботов обеспечивается путем преобразования структурированного света»).
Совершая ресничками волнообразные движения, инфузория туфелька передвигается (плывёт тупым концом вперёд). Ресничка движется в одной плоскости и совершает прямой (эффективный) удар в выпрямленном состоянии, а возвратный — в изогнутом. Направление движения может меняться за счёт изгибаний тела. 


Конечно, об излечающих от всех болезней мини-субмаринах, путешествующих по человеческому телу, говорить еще рано, однако новое изобретение из Штутгарта можно использовать для помощи при проведении, например, эндоскопических операций.

Для плавающих микроорганизмов их размер — большая проблема. Их движения практически не имеют инерции, а трение воды дополнительно осложняет перемещение — представьте себе, какого бы вам было плыть в густом меде. Вязкость окружающей среды также препятствует формированию турбуленции, посредствам которой можно было бы передвигаться. По этой причине реснички, покрывающие тело всей инфузории, производят скоординированные волнообразные движения, похожие на то, как двигаются конечности многоножки. В результате этих движений перемещается и вода вокруг одноклеточного микроорганизма, по длине сопоставимого с толщиной человеческого волоса — 1/10 мм, который, в свою очередь, таким образом передвигается в противоположную сторону.

«Наша задача заключалась в том, чтобы симулировать эти движения при помощи микроробота» - говорит Стефано Палаги, один из авторов первого исследования на эту тему в Институте Макса Планка, которое проводилось в сотрудничестве с учеными из Кембриджа, Штутгарта и Флоренции. При этом Пир Фишер, который также является профессором физической химии в университете Штутгарта, утверждает, что создать механическую машину того же масштаба, что инфузория туфелька, технически невозможно, так как в нее нужно поместить сотни отдельных приводов, не говоря уже об элементах управления и источнике энергии.

Жидкокристаллические эластомеры ведут себя как палочки Микадо (аналог игры в бирюльки)

Из-за вышеописанных сложностей ученые обычно используют внешние силы для перемещения микророботов: например, магнитное поле, при помощи которого можно передвинуть крошечный винтик. «Это дает лишь очень ограниченную свободу передвижения» - говорит Фишер. Задача же ученых из Штутгарта состояла в том, чтобы создать универсальное устройство, которое бы могло свободно передвигаться в жидкости без применения внешних сил и не по предустановленному маршруту.
Мягкий светочувствительный микробот перемещается при помощи динамичного, структурированного светового поля. Его тело состоит из комбинации жидкокристаллических молекул и молекул красителя, который нагревается при попадании на него света. В результате, жидкокристаллические молекулы изгибаются и весь материал деформируется в тех местах, куда попадает свет. Когда пятно света начинает двигаться, то и все тело перемещается за ним перистальтическим способом(волнообразного сокращения). (Источник изображения: Stefano Palagi / MPI for Intelligent Systems, Stuttgart)
Добиться этого удалось поразительно простым методом: при помощи жидкокристаллических эластомеров. Дело в том, что этот материал изменяет свою форму под воздействием света или тепла. Как и жидкие кристаллы, он состоит из стержнеподобных молекул, которые изначально параллельны друг другу. Как палочки Микадо до того момента, как их бросают на стол. Молекулы соединены друг с другом, в результате чего образуют относительно твердую структуру, напоминающую резину. При нагревании они меняют ориентацию и материал изменяет свою форму приблизительно так же, как палочки Микадо, которые занимают куда больше места, когда их бросают на стол, чем когда их держат в руке.

Нужное количество тепла ученые из Штутгарта сумели создать, направив на разработанный материал зеленый свет. При этом, он еще и меняет саму форму каждой из молекул: внутри каждой из жидкокристаллических молекул есть химическое соединение, которое выполняет роль некого сустава, а под воздействием световой радиации в этих местах молекулы изгибаются и принимают форму буквы U. В результате, они перемешиваются еще больше и материал расширяется сильнее. При этом, он очень быстро реагирует на включение и выключение источника света и при отсутствии воздействия возвращается к своему оригинальному состоянию практически моментально.

Выступы на теле робота перемещаются под воздействием света
Ученые создали два типа микроботов: один в форме цилиндра приблизительно в миллиметр длиной и около 200 микрометров в толщину, и один в форме диска толщиной в 50 микрометров и диаметром в 200 или 400 микрометров.

В ходе первого эксперимента команда под руководством Фишера при помощи микроскопа направила на цилиндрического робота свет в форме нескольких полос, после чего пронаблюдали за выступами, сформировавшимися на освещенных участках. После этого они провели точно так же структурированным светом по длине цилиндра, в результате чего выступы на нем начали передвигаться, напоминая волны. «Движение создается именно самим роботами» — подчеркивает Фишер, свет лишь передает устройству энергию, не оказывая при этом на него никакого механического воздействия.

В природе аналогичным способом передвигаются черви: они создают волны, продольно перемещая кольцевые выступы по длине своего тела. В профессиональной терминологии это называется перистальтика.
Перистальтическое движение, вызываемое светом, передвигает воду вокруг микроробота, в результате чего сам он начинает двигаться в противоположном направлении. В результате, он сумел достичь скорости в приблизительно 2,1 микрометра в секунду и прошел расстояние в 110 микрометров.

Максимальный диапазон перемещений микророботов пока неизвестен
Пир Фишер и его коллеги также продемонстрировали возможность очень гибко управлять разработанными ими роботами, ведь, чисто теоретически, рисунок света, направляемый на них, может быть любым. Он создается при помочи устройства, состоящего из более чем 800000 микроскопических зеркал, каждое из которых можно направлять индивидуально. При его помощи они направляли на микроробота в форме диска свет таким образом, чтобы он передвигался по прямоугольной траектории. А направив на него световой рисунок, напоминающий лопасти вентилятора, ученые сумели заставить устройство крутиться на месте. У них даже получилось независимо управлять двумя роботами одновременно: один крутился по часовой стрелке, а второй против. «Это означает, что мы получили возможность управлять микророботом с точностью и свободой, до этого не виданными в этой сфере» — подчеркнул Стефано Палаги.

«Другой важный вопрос — можем ли мы сделать наших роботов еще меньше» — добавил его коллега Эндрю Марк. Теоретически, это должно быть возможно: еще более маленькие микророботы будут способны передвигаться аналогичным способом. Именно этим мотивируют себя исследователи из Штутгарта: «Наша конечная цель — суметь повторить творение самой природы» - утверждает Фишер.