Vissa ingenjörer finner inspiration i mekaniken för fågelflyg och arkitekturen hos bibon. Andra tycker mycket mindre.

Ett team ledd av Mingming Wu, professor i biologisk och miljöteknik vid Cornell University College of Agriculture and Life Sciences, skapade robotar i cellstorlek som kan drivas och styras av ultraljudsvågor. Trots sin lilla storlek, dessa mikrorobotsimmare – vars rörelser var inspirerade av bakterier och spermier – kan en dag bli ett enormt nytt verktyg för riktad läkemedelsleverans.

Lagets tidning, "Biologiskt inspirerade mikrorobotiska simmare fjärrstyrda av ultraljudsvågor, " publicerad 22 september in Lab on a Chip , en publikation av Royal Society of Chemistry.

Tidningens huvudförfattare är tidigare postdoktorn Tao Luo.

I mer än ett decennium, Wus labb har undersökt hur mikroorganismer, från bakterier till cancerceller, migrera och kommunicera med sin omgivning. Det slutliga målet var att skapa en fjärrstyrd mikrorobot som kunde navigera i människokroppen.

"Vi kan göra flygplan som är bättre än fåglar nuförtiden. Men i minsta skala, det finns många situationer där naturen mår mycket bättre än oss. Bakterie, till exempel, har haft miljarder år av evolution för att fullända sitt sätt att göra saker, " sa Wu. "Det fick oss att tro att vi faktiskt kan konstruera något liknande. Om du kan skicka medicin till ett målområde, som cancerceller, då får du inte så många biverkningar."

Bland deras mer geniala egenskaper är det faktum att bakterier kan simma 10 gånger sin kroppslängd på en sekund och spermier kan simma mot strömmen, sa Wu.

Wus forskargrupp försökte initialt designa och 3D-printa en mikrorobot som efterliknade hur bakterier använder flagell för att driva sig själva. Dock, som de tidiga flygarna vars besvärliga flygplan var för fågellika för att flyga, den ansträngningen kollapsade. När Luo gick med i Wus labb, de började utforska ett mindre bokstavligt tillvägagångssätt. Det primära hindret var hur den skulle drivas. Eftersom en person måste krypa innan den kan gå, en mikrorobot måste få energi innan den kan simma.

"Bakterier och spermier förbrukar i princip organiskt material i den omgivande vätskan, och det är tillräckligt för att driva dem, " sa Wu. "Men för konstruerade robotar är det tufft, för om de bär ett batteri, det är för tungt för dem att röra sig."

Teamet fick idén att använda högfrekventa ljudvågor. Eftersom ultraljud är tyst, den kan lätt användas i en experimentell labbmiljö. Som en extra bonus, Tekniken har bedömts vara säker för kliniska studier av U.S. Food and Drug Administration.

Dock, teamet blev förvånat över tillverkningsprocessen. Arbetar med Cornell NanoScale Science and Technology Facility (CNF), Luo försökte skapa en prototyp med fotolitografi, men det var tidskrävande, och resultaten var oanvändbara.

Projektet fick ett avgörande uppsving när CNF köpte ett nytt laserlitografisystem kallat NanoScribe, som skapar 3D-nanostrukturer genom direktskrivning på ett ljuskänsligt harts. Tekniken gjorde det möjligt för forskarna att enkelt justera sina konstruktioner i mikrometerskala och snabbt producera nya iterationer.

Inom sex månader, Luo hade skapat en triangulär mikrorobotsimmare som ser ut som en insekt korsad med ett raketskepp. Simmarens viktigaste egenskap är ett par håligheter etsade i ryggen. Eftersom dess hartsmaterial är hydrofobt, när roboten är nedsänkt i lösning, en liten luftbubbla fångas automatiskt i varje hålighet. När en ultraljudsgivare riktas mot roboten, luftbubblan svänger, genererar virvlar – även känd som strömmande flöde – som driver simmaren framåt.

Andra ingenjörer har tidigare byggt "single bubble" simmare, men Cornell-forskarna är de första som banat väg för en version som använder två bubblor, var och en med olika diameteröppningar i sina respektive hålrum. Genom att variera ljudvågornas resonansfrekvens, forskarna kan excitera antingen bubblor - eller ställa ihop dem - och därigenom styra i vilken riktning simmaren drivs.

Utmaningen framöver blir att göra simmare biokompatibla, så att de kan navigera bland blodkroppar som är ungefär lika stora som de är. Framtida mikrosimmare kommer också att behöva bestå av biologiskt nedbrytbart material, så att många bots kan skickas på en gång. På samma sätt som bara en enda spermie behöver vara framgångsrik för befruktning, volymen är nyckeln.

"För läkemedelstillförsel, du kan ha en grupp mikrorobotsimmare, och om en misslyckades under resan, det är inget problem. Det är så naturen överlever, " sa Wu. "På ett sätt, det är ett mer robust system. Mindre betyder inte svagare. En grupp av dem är obesegrade. Jag tycker att dessa naturinspirerade verktyg vanligtvis är mer hållbara, eftersom naturen har bevisat att den fungerar."