Le larve di stella marina come fonte di ispirazione
I ricercatori dell'ETH di Zurigo hanno sviluppato un piccolo robot che imita i modelli di movimento di una larva di stella marina. ? alimentato da onde sonore ed è dotato di peli come il suo modello naturale. In futuro, questi micro nuotatori potrebbero somministrare farmaci alle cellule malate con una precisione millimetrica.
Gli scienziati di tutto il mondo stanno lavorando a macchine minuscole che sono destinate a rivoluzionare la medicina. I microrobot, che spesso hanno solo una frazione del diametro di un capello, sono in grado di fornire agenti medici a specifiche aree problematiche del corpo e di eseguire le più piccole procedure chirurgiche. Le macchine miracolose vengono azionate e controllate utilizzando energia esterna, di solito attraverso campi acustici o magnetici.
Quando progettano la forma di corpi galleggianti, i ricercatori si ispirano spesso a microrganismi come batteri o alghe. Un gruppo di ricerca dell'ETH di Zurigo ha ora sviluppato il primo micro-robot che imita la tecnica di nuoto e di alimentazione di una larva di stella marina.
Spingere o aspirare un liquido con i peli
A prima vista, non c'è molta somiglianza tra un microrobot e una larva di stella marina. La larva della creatura marina a cinque braccia, che misura solo pochi millimetri, ha un corpo lobato. Il microrobot, invece, è un semplice rettangolo e circa dieci volte più piccolo: misura appena un quarto di millimetro. Tuttavia, entrambi hanno una caratteristica importante in comune: i peli sottili e mobili sulla superficie del corpo, noti come cilia.
La larva della stella marina è ricoperta da centinaia di migliaia di peli. Disposti in file, battono avanti e indietro nell'acqua marina in modo coordinato, creando vortici. Alcuni anni fa, i ricercatori hanno dimostrato che l'animale utilizza i complessi schemi di corrente alternativamente come motore di nuoto o per aspirare particelle di cibo.
Per passare dalla modalità di alimentazione a quella di nuoto, la larva di stella marina cambia l'orientamento delle file di peli l'una rispetto all'altra. In questo modo, due file rivolte l'una verso l'altra creano un vortice con effetto di spinta, che la larva utilizza per muoversi in avanti nell'acqua. Se invece le file di peli sono orientate in senso opposto, si crea un vortice che risucchia il liquido e le particelle di cibo in esso contenute.
I corpi artificiali fluttuanti battono più velocemente
I capelli sono stati fondamentali anche per la progettazione del nuovo microrobot sviluppato dai ricercatori guidati da Daniel Ahmed, professore del Dipartimento di ingegneria meccanica e dei processi. Ahmed racconta: "All'inizio volevamo semplicemente verificare se potevamo creare vortici simili a quelli della larva di stella marina con file di peli inclinati l'uno verso l'altro".
I ricercatori hanno costruito un microrobot che genera un vortice con effetto di aspirazione sulla parte anteriore e un vortice con effetto di spinta sulla parte posteriore. Hanno utilizzato onde ad ultrasuoni per far vibrare i peli dall'esterno. Essi battono avanti e indietro più di diecimila volte al secondo, circa 1000 volte più velocemente delle larve di stella marina.
Negli esperimenti di laboratorio, i ricercatori hanno dimostrato che il microrobot è in grado di nuotare dritto in una pellicola d'acqua. Per visualizzare i vortici che crea, hanno arricchito l'acqua con minuscole perle di plastica. Il risultato è sorprendente: i modelli di flusso della larva di stella marina e del microrobot sono praticamente identici.
In una seconda fase, i ricercatori hanno combinato un vortice con effetto di aspirazione e uno con effetto di spinta uno accanto all'altro, analogamente alla tecnica di alimentazione della larva di stella marina. Con questo modulo sono riusciti a raccogliere le particelle e a dirigerle in una determinata direzione.
Gli ultrasuoni portano molti vantaggi
Ahmed è convinto che il nuovo tipo di microrobot possa essere utilizzato in medicina nel prossimo futuro. Questo perché un sistema basato esclusivamente sugli ultrasuoni offre vantaggi decisivi: Le onde ultrasonore sono già ampiamente utilizzate nella diagnostica per immagini, penetrano in profondità nel corpo e non comportano rischi per la salute.
"La nostra visione è quella di utilizzare gli ultrasuoni per la propulsione, l'imaging e la somministrazione di farmaci".Daniel Ahmed
Poiché la terapia richiede solo un dispositivo a ultrasuoni ed è quindi economica, potrebbe essere utilizzata anche nei Paesi in via di sviluppo.
Ahmed vede un primo potenziale campo di applicazione nel trattamento dei tumori dello stomaco. L'assorbimento dei farmaci convenzionali per diffusione è inefficiente. I microrobot che trasportano il principio attivo nell'area interessata dello stomaco e vi generano vortici potrebbero rendere più efficiente il trasporto del farmaco nelle cellule tumorali.
Immagine più nitida grazie agli agenti di contrasto
Tuttavia, prima che questa visione possa essere effettivamente realizzata, c'è un'altra grande sfida da superare: l'imaging. Per guidare le minuscole macchine nel posto giusto, è necessaria un'immagine nitida in tempo reale. La risoluzione degli ultrasuoni convenzionali non è abbastanza elevata per questo scopo.
Un possibile approccio è rappresentato dagli agenti di contrasto, utilizzati in medicina per visualizzare, ad esempio, i vasi sanguigni della pelle. In una fase successiva, i ricercatori intendono incorporare tali agenti di contrasto nel microrobot per renderlo più visibile.
Oltre alle applicazioni in medicina, Ahmed si aspetta che il nuovo microrobot sia utile anche alla ricerca e all'industria. I vortici generati dalle file di peli potrebbero aiutare a manipolare piccole quantità di liquido in modo mirato. Potrebbero mescolare i liquidi, agire come una pompa o catturare le particelle.
Letteratura di riferimento
Dillinger C, Nama N, Ahmed D. Ultrasound-activated ciliary bands for microrobotic systems inspired by starfish, Nat Commun. 2021 Nov 9. doi: pagina esterna10.1038/s41467-021-26607-y