Med inspiration från biologin och leksakshyllan, forskare vid Thayer School of Engineering vid Dartmouth College och City University of Hong Kong har utvecklat en simrobot med en ljusstyrd cellulär motor som kan utföra mycket riktad läkemedelstillförsel.

Forskare kombinerade hjärtvävnadsteknik, en 3D-tryckt vingstruktur och en ljuskänslig gel för att producera den mjuka roboten med start-stopp-förmåga. Den omkopplingsbara enheten förvandlar sin form när den utsätts för hudpenetrerande nära-infrarött ljus, får den att köra och bromsa genom flytande miljöer som människans blodomlopp.

Den transformerbara enheten förbättrar dramatiskt användbarheten hos robotar som är designade för att arbeta inuti människokroppen och andra okonventionella arbetsmiljöer.

Forskargruppen vid City University of Hong Kong producerade den ursprungliga robotdesignen och utförde de experimentella testerna. Dartmouth-teamet utförde mekanisk och numerisk analys på enheten och föreslog ändringar i designelement som storlek och form.

"Med den här tekniken kan vi skapa mjuka transformerbara robotar med oöverträffad manövrerbarhet, sa Zi Chen, en biträdande professor i teknik vid Thayer. "Vår inspiration kom från transformerbara leksaker som har olika konfigurationer och funktionalitet. Resultatet är ingen leksak, det kan bokstavligen förändra människors liv."

Levande organismer är kapabla att ändra form för att utföra specifika handlingar. En igelkott kryper ihop sig till en boll för försvar. Fåglar sprider sina vingar för att flyga. Köttätande växter som Venus flugfälla öppnar och stänger. Den nya studien är en del av ett långsiktigt arbete för att utveckla robotar som efterliknar detta formförändrande beteende som finns i naturen.

Att vara effektiv, den nya generationen robotar måste vara energieffektiva och de måste kunna svara på olika typer av stimulanser, som ljus eller värme.

Även om exempel på dessa typer av robotar redan finns, forskare har kämpat för att skapa en enhet som flytande omvandlar sin form så att den kan starta och sluta röra sig efter behov. De flesta befintliga system är också beroende av temperaturvariationer som är svåra att stimulera i människokroppen på grund av dess nästan konstanta temperatur.

"Förmågan att styra robotens rörelse med hjälp av ljus skapar en mycket mer funktionell enhet som kan manövreras med hög precision, sa Xiaomin Han, en ny doktorsexamen examen från Chen Research Lab på Thayer.

Den fjärrstyrda roboten drivs av en stjärtfena som efterliknar valarnas simning. Strukturen 3-D-tryckt i form av en flygplansvinge och sedan belagd med hjärtmuskelceller. På samma sätt som kardiomyocyter får hjärtat att slå kontinuerligt, de driver också denna biohybridanordning genom en konstant böljande verkan.

För att styra robotens rörelse, forskare applicerade fotokänsliga hydrogeler på vingarna. I frånvaro av ljus, vingarna utvecklas, låter hjärtcellerna driva det framåt. När den utsätts för ljus, det flytande planet drar tillbaka sina vingar, får det att stanna.

"Hjärtmusklerna fortsätter att snurra, men de kan inte övervinna vingarnas stoppkraft, " sa Chen. "Det är som att trycka på gaspedalen med nödbromsen på."

Robotens höga känslighet för nära-infrarött ljus skapar en svarsfrekvens som möjliggör en nästan omedelbar transformation av vingformen, så att den är mycket manövrerbar. I studien, forskare använde den "oöverträffade kontrollerbarheten och lyhördheten" hos roboten med flytande plan som en lastbärare för att genomföra riktad läkemedelsleverans mot cancerceller.

"Vi släppte bokstavligen narkotikabomber på cancerceller, ", sa Chen. "Förverkligandet av det transformerbara konceptet banar väg för potentiell utveckling av nästa generations intelligenta biohybridrobotsystem."

Biohybridroboten kan tillverkas i en mängd olika storlekar från flera millimeter till dussintals centimeter. Sådan skalbarhet ger det god flexibilitet att ta på sig uppgifter relaterade till navigering och övervakning i svåra miljöer.

En studie som beskrev forskningen dök upp först i den akademiska tidskriften Små i slutet av mars.

I den aktuella studien, forskare kontrollerar start-stopp-rörelsen för hela roboten genom användningen av ljus. Framtida forskning kommer att använda ljus för att rikta separata vingar på roboten så att den kan styras med ännu mer precision.

Denna forskning producerades med Peng Shi och Bingzhe Xu från City University of Hong Kong. Yuwei Hu och Chia-Hung Chen från National University of Singapore och Yiming Luo från Hubei University of Technology bidrog också till studien.