فريق ينتج روبوتات صغيرة مدفوعة بفقاعات الهواء والموجات فوق الصوتية – ترجمة* محمد جواد آل السيد ناصر الخضراوي

Team creates micro-robots propelled by air bubbles and ultrasound
(David Nutt, Cornell University – بقلم: ديفيد نوت، جامعة كورنيل) 

ملخص المقال:

قام فريق من جامعة كورنيل بانتاج روبوتات بحجم الخلية يمكن تشغيلها وتوجيهها بواسطة الموجات الصوتية عالية التردد، وحركاتهم مستوحاة من البكتيريا والحيوانات المنوية، ويمكن أن يكونوا في يوم من الأيام أداة جديدة هائلة لتوصيل الأدوية الى منطقة مستهدفة مثل الخلايا السرطانية، وبالتالي تجنب الآثار الجانبية للأدوية.

( المقالة )

يجد بعض المهندسين الإلهام في آليات تحليق الطيور والهندسة المعمارية لأعشاش النحل. ويفكر آخرون بأحجام أصغر بكثير.

وقد قام فريق بقيادة البروفيسور مينغمينغ وو، أستاذ الهندسة البيولوجية والبيئية في كلية الزراعة وعلوم الحياة بجامعة كورنيل، بانتاج روبوتات بحجم الخلية يمكن تشغيلها وتوجيهها بواسطة الموجات فوق الصوتية. وعلى الرغم من صغر حجم هؤلاء السباحين الروبوتيين الصغار – الذين كانت حركاتهم مستوحاة من البكتيريا والحيوانات المنوية – يمكن أن يكونوا في يوم من الأيام أداة جديدة هائلة لتوصيل الأدوية المستهدفة.

ونشر الفريق ورقته  البحثية المعنونة “السباحون الروبوتات الدقيقة المستوحون بيولوجيا الذين يتم التحكم فيها عن بعد بواسطة الموجات فوق الصوتية” في 22 سبتمبر 2021 في نشرة “مختبر على رقاقة” (Lab on a Chip)، وهي مطبوعة صادرة عن الجمعية الملكية للكيمياء. والمؤلف الرئيسي للصحيفة هو الباحث السابق في مرحلة ما بعد الدكتوراه تاو لو.

ولأكثر من عقد من الزمان، يبحث مختبر البروفيسور وو في الطرق التي تهاجر بها الكائنات الحية الدقيقة، من البكتيريا إلى الخلايا السرطانية، وتتواصل مع بيئتها. وكان الهدف النهائي هو إنتاج روبوت دقيق يتم التحكم فيه عن بعد يمكنه التنقل في جسم الإنسان.

وقال البروفيسور وو: “يمكننا صنع طائرات أفضل من الطيور في الوقت الحاضر. ولكن على أصغر مستوى، هناك العديد من الحالات التي تكون فيها الطبيعة أفضل بكثير منا. إن البكتيريا، على سبيل المثال، شهدت مليارات السنين من التطور لإتقان طريقتها في القيام بالأشياء”. وأضاف: “قادنا ذلك إلى الاعتقاد بأننا نستطيع بالفعل هندسة شيء مماثل. إذا كان بإمكانك إرسال الدواء إلى منطقة مستهدفة، مثل الخلايا السرطانية، فلن يكون لديك العديد من الآثار الجانبية”.

وتابع إن من بين سماتها الأكثر براعة هي حقيقة أن البكتيريا يمكن أن تسبح 10 أضعاف طول أجسامها في ثانية واحدة، ويمكن للحيوانات المنوية أن تسبح ضد التدفق.

وحاول فريق البروفيسور وو البحثي في البداية تصميم وطباعة روبوت صغير ثلاثي الأبعاد يحاكي الطريقة التي تستخدم بها البكتيريا السوط (flagellum) [١] لدفع نفسها. ومع ذلك، مثل الطيارين الأوائل الذين كانت طائراتهم المرهقة تشبه الطيور بحيث لا يمكن الطيران، انهار هذا الجهد. وعندما انضم الدكتور لو إلى مختبر البروفيسور وو، بدأوا في استكشاف نهج أقل حرفية. كانت العقبة الأساسية هي كيفية تشغيله. وبما أن الشخص يجب أن يزحف قبل أن يتمكن من المشي، فإن الروبوت الصغير يحتاج إلى تنشيط قبل أن يتمكن من السباحة.

وقال البروفيسور وو: “تستهلك البكتيريا والحيوانات المنوية بشكل أساسي المواد العضوية في السائل المحيط، وهذا يكفي لتشغيلها. لكن بالنسبة للروبوتات الهندسية، الأمر صعب، لأنهم إذا حملوا بطارية، فهي ثقيلة جدا بالنسبة لهم للتحرك”.

وطرح الفريق فكرة استخدام الموجات الصوتية عالية التردد. ونظرا لأن الموجات فوق الصوتية هادئة، يمكن استخدامها بسهولة في إعداد المختبر التجريبي. وكمكافأة إضافية، اعتبرت الولايات المتحدة التقنية آمنة للدراسات السريرية بواسطة إدارة الغذاء والدواء.

ومع ذلك، كان الفريق متعثرا بسبب عملية التصنيع. ومن خلال العمل مع مرفق كورنيل للعلوم والتقنية بمقياس النانو، حاول الدكتور لو إنشاء نموذج أولي مع الطباعة الحجرية الضوئية، لكنه استغرق وقتا طويلا، وكانت النتائج غير قابلة للاستخدام.

وتلقى المشروع دفعة حاسمة عندما اشترى مرفق كورنيل للعلوم والتقنية بمقياس النانو نظاما جديدا للطباعة الحجرية بالليزر يسمى “نانوسكرايب” (NanoScribe) ، والذي ينشئ هياكل نانوية ثلاثية الأبعاد عن طريق الكتابة المباشرة على راتنج حساس للضوء. ومكنت هذه التكنولوجيا الباحثين من تعديل تصاميمهم بسهولة على مقياس الميكرومتر وإنتاج تكرارات جديدة بسرعة.

وفي غضون ستة أشهر، ابتكر الدكتور لو سباحا روبورتيًا مثلثًا دقيقًا يشبه حشرة متقاطعة بسفينة صاروخية. والميزة الأكثر أهمية للسباح هي زوج من التجاويف الموجودة في ظهره. ونظرا لأن مادة الراتنج الخاصة بها مسعورة، عندما يكون الروبوت مغمورا في محلول ، يتم احتجاز فقاعة هواء صغيرة تلقائيا في كل تجويف. عندما يستهدف محولُ الموجات فوق الصوتية الروبوتَ، تتأرجح فقاعة الهواء، مما يولد دوامات – تعرف أيضا باسم تدفق التيار – تدفع السباح إلى الأمام.

وقد قام مهندسون آخرون سابقا ببناء سباحين “فقاعة واحدة”، ولكن باحثي جامعة كورنيل هم أول من طور إصدارًا يستخدم فقاعتين، لكل منهما فتحة قطر دائرة مختلف في تجويف كل منهما. ومن خلال تغيير تردد صدى الموجات الصوتية، يمكن للباحثين إثارة إما الفقاعة – أو ضبطها معا – وبالتالي التحكم في الاتجاه الذي يتم فيه دفع السباح.

وسيتمثل التحدي القادم في جعل السباحين متوافقين حيويا، حتى يتمكنوا من التنقل بين خلايا الدم التي يبلغ حجمها تقريبا حجم السباحين. وسيحتاج السباحون الصغار في المستقبل أيضا إلى أن يتكونوا من مواد قابلة للتحلل البيولوجي، بحيث يمكن إرسال العديد من الروبوتات في وقت واحد. وبنفس الطريقة التي يحتاج بها حيوان منوي واحد فقط إلى النجاح في الإخصاب، فإن الحجم هو المفتاح.

وقال البروفيسور وو: “لتوصيل الأدوية، يمكن أن يكون لديك مجموعة من السباحين الروبوتات الدقيقة، وإذا فشل أحدهم خلال الرحلة، فهذه ليست مشكلة. هذه هي الطريقة التي تنجو بها الطبيعة. بطريقة ما، إنه نظام أكثر قوة. الأصغر لا يعني الأضعف. مجموعة منهم غير قابلة للهزيمة. أشعر أن هذه الأدوات المستوحاة من الطبيعة عادة ما تكون أكثر استدامة، لأن الطبيعة أثبتت نجاحها”.

*تمت الترجمة بتصرف

المصدر:

https://phys.org/news/2021-09-team-micro-robots-propelled-air-ultrasound.html

لمزيد من المعلومات: تاو لو وآخرون، Biologically inspired micro-robotic swimmers remotely controlled by ultrasound waves, Lab on a Chip (2021).  DOI: 10.1039/D1LC00575H

الهوامش:

[١] السوط هو ملحق يشبه الرموش يبرز من جسم الخلية لخلايا معينة تسمى السوطيات. يمكن أن يكون لها سوط واحد أو مجموعة من الأسواط. الوظيفة الأساسية للسوط هي الحركة، ولكنها غالبا ما تعمل أيضا كعضية حسية، كونها حساسة للمواد الكيميائية ودرجات الحرارة خارج الخلية. الأسواط هي عضيات محددة بالوظيفة بدلا من الهيكل. تختلف الأسواط اختلافا كبيرا بين مجالات الحياة الثلاثة، والبكتيريا، والعتائق، وحقيقيات النوى. يمكن استخدام جميع الأنواع الثلاثة من الأسواط للسباحة ولكنها تختلف اختلافا كبيرا في تكوين البروتين وهيكله وآلية الدفع. ويكيبيديا