Нанороботы — одно из многообещающих направлений в современной медицине, они могут использоваться в дистанционно-управляемой хирургии и для направленной доставки лекарственных препаратов в человеческом организме. До сих пор, однако, не создано достаточно эффективных методов управления движением нанороботов в биологических жидкостях, таких как кровь, синовиальная или внутриглазная жидкость. В двух свежих работах исследователи продемонстрировали новые подходы к созданию управляемых двигательных систем для миниатюрных роботов: в первом движение создается за счет ферментативной реакции, второй основан на управлении ультразвуком. Описания подходов опубликованы в журналах Applied Physics Letters и Journal of the American Chemical Society.

Принцип работы ферментативного нанодвигателя тот же, что используется в двигателях реактивных самолетов: выбрасываемые продукты горения задают движение самолету в направлении, обратном выбрасываемому потоку. Миниатюрный двигатель представляет собой нанотрубку из диоксида кремния с диаметром отверстия 220 нанометров, стенки которой покрыты уреазой — ферментом, который расщепляет мочевину на углекислоту и аммиак. Если такую нанотрубку поместить в жидкость, содержащую мочевину, продукты реакции между мочевиной и уреазой создадут поток, придающий трубке импульс: скорость движения при этом достигает десяти микрометров в секунду, или около четырех сантиметров в час.

Самоходный наноробот на ферментативном двигателе: нанотрубки, покрытые уреазой, превращаются в двигательную систему в жидкостях, содержащих мочевину. Реакция между ферментом и мочевиной приводит к реактивному движению наноробота. MPI for Intelligent Systems

Новый ферментный двигатель — самый миниатюрный из известных аналогов. Размеры предыдущего образца, попавшего в книгу рекордов Гиннеса, в три раза больше. Еще одно новшество нового двигателя — его полная биосовместимость. Аналогичные устройства, как правило, используют металлические катализаторы, на поверхности которых перекись водорода расщепляется на молекулы водорода и кислорода. И перекись водорода, и пузырьки газа нежелательны в человеческом организме. Использование уреазы в новом двигателе позволяет избежать этой проблемы — реакция не производит пузырьков газа, а фермент уреазы содержится в организме и сам по себе. Исследователи планируют изучить биосовместимость нового устройства более детально, а также научиться имплантировать нанороботов в клетки организма — это нужно, например, для целевой доставки лекарственных препаратов.

Диаметр отверстия нанотрубки около 200 нанометров – в три раза меньше чем предыдущий результат, попавший в книгу рекордов Гиннеса. MPI for Intelligent Systems

Хотя пузырьки газа нежелательны в биологических жидкостях организма, они стали ключевым компонентом минироботов, разработанных группой немецких ученых. Здесь пузырьки газа не опасны, поскольку они помещены в цилиндрические камеры, расположенные на поверхности робота, и не могут попасть в жидкости организма. Для приведения робота в движение используется ультразвук: он заставляет пузырьки газа вибрировать, приводя робота во вращательное движение вокруг своей оси. Частота звуковой волны, необходимая для вибрации, зависит от размера пузырьков: чем больше размер, тем меньше должна быть соответствующая частота ультразвука. Эта зависимость используется для задания направления вращения робота. Пузырьки разных размеров размещены на двух сторонах четырех граней параллелепипеда. Управляя частотой применяемого ультразвука, ученые заставляют вибрировать нужную сторону поверхности, что приводит к вращению робота в нужном направлении. Такой акустически управляемый робот может достигать тысячи вращений в минуту. 

Ученые отмечают, что пластинами с пузырьковыми камерами можно покрыть робота любой геометрической формы, а ультразвуковое управление можно использовать в жидкостях, недоступных оптическим системам — например, в крови. Новый подход протестирован в лабораторных условиях, и следующим шагом ученые планируют изучить его поведение в клинических испытаниях.

Управление ультразвуком: двигатель в форме параллелепипеда оборудован пузырьковыми камерами двух разных размеров (синие и желтые панели). Ультразвук заставляет пузырьки вибрировать, при этом разница в силе толчков пузырьков разных размеров придает системе вращательное движение. MPI for Intelligent Systems

Применение ферментативных реакций и ультразвука — не единственные способы дистанционного управления в медицине: недавно мы писали о разработке компании Philips, которая продемонстрировала технологию управления сложными мини-роботами с помощью магнитного поля.

Автор: Надежда Бессонова