Ögonfransar och ögonbryn fångar upp damm och skräp från att komma in i ögonen. Samma idé gäller för små näs- och öronhår. På en mer mikroskopisk nivå hjälper de små hårliknande flimmerhåren som kantar mänskliga celler att upptäcka subtila miljöförändringar och kan stärka en persons sinnen.
Det här är de koncept som doktoranden Phillip Glass i nanovetenskap och nanoteknik och rådgivare Daeha Joung, Ph.D., driver med sina 3D-printade ciliasensorer vid Virginia Commonwealth University Department of Physics i College of Humanities and Sciences. De två utforskar området mekanosensing, en biologisk term för de metoder som kroppen använder för att samla in yttre stimuli och skicka den till hjärnan – vilket resulterar i sinnen som känsel, hörsel, rörelse och smärta. Mekanoreceptorer är celler eller organ som utför avkänningen.
Nu tar de med sig det mänskliga konceptet till maskiner och robotar.
"Det finns alla möjliga platser där vi kan använda dessa", sa Glass medan han visade upp laboratoriets små, 3D-printade sensorer som ser ut som människohår. Befintlig mekanosensorteknik, sa Glass, kan känna av ihållande tryck, snabba tryck och temperaturförändringar. "Men ett område som inte har undersökts lika mycket är konceptet "glidande" kraft - till exempel den där känslan du får på huden när du tar av eller sätter på dig kläder, säger Glass.
Användningen av teamets receptorer återstår att se, men Glass och Joung – en biträdande professor i experimentell biofysik och nanovetenskap – pekar på ett antal tillämpningar inom industriella, miljömässiga och biomedicinska områden. De beskriver sina upptäckter och fysiken bakom deras IP i en artikel från juli 2023 som paret och deras VCU-team publicerade i Advanced Science , "3D-utskrivna artificiella cilia-arrayer:ett mångsidigt verktyg för anpassningsbar mekanosensing."
Användningsområden, säger de, kan inkludera minimalt invasiva kirurgiska robotar utrustade med cilia-mekanoreceptorer för att bättre upptäcka små förändringar i tryck eller temperatur, industrimaskiner som kan mäta luft- eller vattenflöde, en robot som kan läsa punktskrift eller detektering av skräp på en mycket känslig kameralins.
När det gäller att läsa punktskrift, var flimmerhåren inriktade i en borstliknande struktur och fäst vid en robot, som släpades över en yta med punktskriftspunkter på. Data som samlats in från roboten kartlade exakt punktskriftens form.
"Phillip och Dr. Joungs teknologi är verkligen en plattform som kan användas i ett antal branscher, från proteser - tänk, att göra en persons protesfingrar eller tår känsligare för beröring - till tillverkning som kräver dynamiska vätskor", säger Brent Fagg, senior licensieringschef på VCU TechTransfer and Ventures. "Utmaningen nu är att hitta rätt partner i ett tidigt skede för att utveckla en marknadsklar applikation, och vi pratar med ett antal grupper som har intresse."
Att mäta luft- och vattenflöden är en kritisk möjlighet, säger Glass, vilket är en viktig faktor på ett stort antal marknader från fabriker till sjukhus. "Så många applikationer och industrier behöver kontrollera, mäta och till och med förutsäga luft- eller vattenhastigheten", sa han.
Glass cilia-sensorer formas på en anpassad 3D-skrivare med ett material som kallas polykaprolakton (PCL) blandat med grafen (ett mycket ledande supernanomaterial) och ett lösningsmedel som torkar vid kontakt med luft. 3D-utskrift ger också Glass flexibilitet att skriva ut flimmerhår i olika storlekar "bara genom att ändra några rader kod."
"En av de stora försäljningsargumenten med vår teknik är att vi kan skriva ut olika stora hårstrån, vilket kan känna stimulansen annorlunda," sa Glass. "Riktigt långa hårstrån böjs lättare än korta, så medan andra typer av luftflödessensorer bara kan upptäcka ett enda flödesintervall, kan vi skriva ut våra flimmerhår i olika storlekar och mellanrum och göra dem känsligare för ett brett spektrum av stimuli."
För Joung underbygger sensorerna vikten av fysiken som ett grundläggande element i verkliga tillämpningar. "Fysikens största styrka är att den är grunden för alla nya tillämpningar, oavsett om det är en biomedicinsk anordning eller ingenjörsprocess," sa Joung. "Phillip har verkligen tagit ett annat tillvägagångssätt och använt unikhet och kreativitet för att drömma fram en ny idé med verklig potential."
Mer information: Phillip Glass et al, 3D-Printed Artificial Cilia Arrays:Ett mångsidigt verktyg för anpassningsbar Mechanosening, Advanced Science (2023). DOI:10.1002/advs.202303164
Journalinformation: Avancerad vetenskap
Tillhandahålls av Virginia Commonwealth University
