Forskare vid North Carolina State University och Duke University har utvecklat ett sätt att montera och förprogrammera små strukturer gjorda av mikroskopiska kuber - "microbot origami" - för att ändra form när de aktiveras av ett magnetfält och sedan, använder magnetenergin från sin omgivning, utföra en mängd olika uppgifter - inklusive att fånga och transportera enskilda celler.

Resultaten, publicerad idag i Vetenskapliga framsteg , bana väg för mikrobotar och mikro-origami-enheter som kan fungera som cellkarakteriseringsverktyg, flytande mikromixer, och komponenter i konstgjorda muskler och mjuka biomimetiska anordningar.

"Denna forskning handlar om ett ämne av aktuellt intresse - aktiva partiklar som tar energi från sin miljö och omvandlar den till riktningsrörelse, "sa Orlin Velev, INVISTA professor i kemisk och biomolekylär teknik vid NC State och med motsvarande författare till uppsatsen.

För att skapa mikrobot origami, forskarna började med mikroskopiska polymerbitar som är metalliska på ena sidan, i huvudsak tillåter metallsidan att fungera som en magnet. Beroende på deras positionering, kuberna kan monteras på många olika sätt.

"Eftersom de är magnetiserade och interagerar, kuberna lagrar energi, "Sade Velev." Små partiklar i form av kuber kan fästa ihop i sekvenser där de vetter i olika riktningar för att göra, till exempel, kluster som beter sig som en liten Pac-Man:Du kan öppna dem genom att applicera ett magnetfält och sedan låta dem stänga genom att stänga av magnetfältet. De stänger eftersom de släpper den lagrade magnetiska energin. Således, du injicerar inre energi varje gång du öppnar mikroklustren och släpper den när de stängs. "

Forskarna gav sedan den lilla Pac-Man en specifik uppgift:att fånga en levande cell, i detta fall en jästcell. Mikrobotten formades till en boxig form och genom sina öppnings- och stängningsrörelser, "simmade" för att omge jästcellen. Forskarna stängde sedan av magnetfältet som styrde vikningen av mikrobotten för att fånga jästcellen, flyttade den och slutligen släppte den.

"Vi har visat här en prototyp av självfällbar mikrobot, "Sa Velev, "som kan användas som mikrotool för att undersöka svaret från specifika celltyper, som cancerceller, till exempel."

"Tidigare rapporterade mikrorobotiska strukturer har begränsats till att utföra enkla uppgifter som att skjuta och tränga in objekt på grund av deras styva kroppar. Möjligheten att fjärrstyra den dynamiska omkonfigurationen av vår mikrobot skapar en ny" verktygslåda "för att manipulera mikroskala objekt och interagera med dess mikromiljö , "sa Koohee Han, en doktorsexamen kandidat vid NC State och första författare till uppsatsen.

"När mikrobotten viker, det kan komprimera vätskor eller fasta ämnen och du kan använda det som ett verktyg för att mäta bulkmekaniska egenskaper, som stelhet, "sa Wyatt Shields, en postdoktor vid Duke University och NC State University som var medförfattare till uppsatsen. "På vissa sätt, det är ett nytt metrologiskt verktyg för att mäta elasticitet på mikroskopisk nivå. "

Författarna säger att designen av mikrobot origami efterliknar naturen. "Kubsekvensen programmerar formen på de vikande mikrobotarna. Proteiner fungerar på samma sätt, "Sköldar sa." Sekvensen av aminosyror i ett protein kommer att avgöra hur det veckas, precis som sekvensen av kuber i vår mikrobot kommer att avgöra hur den viks. "

Velev säger att framtida arbete kommer att koncentrera sig på att få partiklarna att röra sig på egen hand, snarare än att styra dem med magnetfält. Han arbetar med att göra robotar som driver själv i komplexa vätskor med icke-newtonskt beteende. Shields studerar hur dynamiken i omformningen av mikrobotten kan användas för att studera mikrostrukturen i omgivande makromolekyler.