En ny studie från Thomas Mallouks labb visar hur mikroskala "raketer, "drivs av akustiska vågor och en bubbelmotor ombord, kan drivas genom 3D-landskap av celler och partiklar med hjälp av magneter. Forskningen var ett samarbete mellan forskare vid Penn och University of San Diego, Harbin Institute of Technology i Shenzhen, och Pennsylvania State University, där studien ursprungligen genomfördes, och publicerades i Vetenskapens framsteg .

Ursprungsberättelsen om de små raketerna började med en grundläggande vetenskaplig fråga:Kunde forskare designa fartyg i nano- och mikroskala som använder kemikalier för bränsle för att resa genom människokroppen? Femton års forskning av Mallouk och andra visade att det korta svaret var "ja, "men forskare stod inför betydande hinder för att använda dessa kärl i biomedicinska tillämpningar eftersom kemikalierna de använde för bränsle, som väteperoxid, var giftiga.

En "oavsiktlig" upptäckt fick Mallouk och hans grupp att fokusera på användningen av en helt annan typ av bränsle:ljudvågor. När de försöker flytta sina raketer med akustisk levitation, en process som används för att lyfta partiklar från ett objektglas med högfrekventa ljudvågor, gruppen blev förvånad när de upptäckte att ultraljud fick robotarna att röra sig i mycket höga hastigheter. Mallouk och hans team bestämde sig för att undersöka detta fenomen ytterligare för att se om de kunde använda högfrekventa ljudvågor för att driva sina små kärl.

Gruppens senaste papper beskriver designen av mikroskala raketerna, som liknar en rundbottnad kopp 10 mikron lång och fem mikron bred, eller ungefär lika stor som en dammpartikel. De rundade kopparna är 3-D-tryckta med laserlitografi och innehåller ett yttre lager av guld och inre lager av nickel och en polymer. Behandling med en hydrofob kemikalie efter att guldet har gjutits gör att en luftbubbla bildas och fastnar i raketens hålighet.

I närvaro av ultraljudsvågor, bubblan inuti raketen exciteras av högfrekvent oscillation vid vatten-luft-gränssnittet, som förvandlar bubblan till en motor ombord. Raketen kan sedan styras med hjälp av ett externt magnetfält. Varje enskild raket har sin egen resonansfrekvens, vilket innebär att varje medlem i en flotta kan köras oberoende av de andra. De små raketerna är också otroligt skickliga, kunna färdas uppför mikroskopiska trappor och simma fritt i tre dimensioner med hjälp av speciella fenor.

En av raketens mest unika egenskaper är deras förmåga att flytta andra partiklar och celler med skarp precision, även i trånga miljöer. Robotkärlen kan antingen trycka partiklar i önskad riktning eller använda en "traktorstråle" för att dra föremål med en attraktionskraft. Mallouk säger att förmågan att skjuta föremål utan att störa miljön "inte var tillgänglig i större skala, " och tillägger att traktorstrålen som används av större fartyg inte är lika bra på exakta rörelser. "Det finns mycket kontroll du kan göra på den här längdskalan, " han lägger till.

I denna speciella storlek, raketerna är tillräckligt stora för att inte påverkas av Brownska rörelser, de slumpmässiga och oberäkneliga rörelser som upplevs av partiklar i nanometerstorleksintervallet, men är tillräckligt små för att flytta föremål utan att störa miljön runt dem. "På denna speciella längdskala, vi är precis vid korsningspunkten mellan när kraften är tillräcklig för att påverka andra partiklar, säger Mallouk.

Genom att öka eller minska mängden akustiskt "bränsle" tillhandahåller forskarna raketerna, de kan också kontrollera hastigheten på de små fartygen. "Om jag vill att det ska gå långsamt, Jag kan stänga av strömmen, och om jag vill att det ska gå riktigt fort, Jag kan sätta på strömmen, " förklarar Jeff McNeill, en doktorand som arbetar med motoriska projekt i nano- och mikroskala. "Det är ett riktigt användbart verktyg."

Mallouk och hans labb undersöker redan ett antal möjliga områden för ytterligare forskning, inklusive sätt att aktivera raketerna med ljus, och göra ännu mindre raketer som skulle vara snabbare och starkare för sin storlek. Framtida samarbeten med ingenjörer och robotiker på Penn, inklusive Dan Hammer, Marc Miskin, Vijay Kumar, James Pikul, och Kathleen Stebe, skulle kunna bidra till att göra raketerna "smarta" genom att låta dem utrusta fartygen med datorchips och sensorer för att ge dem autonomi och intelligens.

Som gruppen överväger mikroraketens breda medicinska potential från medicinsk bildbehandling till nanorobotik säger Mallouk, "Vi skulle vilja ha kontrollerbara robotar som kan utföra uppgifter inuti kroppen:leverera medicin, rotorrotartärer, diagnostisk snokning."