Гибридные эбиоботы (то есть eBiobots, электронные биороботы) — первые, в которых сочетаются мягкие материалы, живые мышцы и микроэлектроника. Об этом заявили исследователи из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн, Северо-Западного университета и сотрудничающих учреждений. Они описали свои биологические машины сантиметрового масштаба в журнале Science Robotics.
Интеграция микроэлектроники позволяет объединить биологический мир и мир электроники, с их множеством преимуществ, чтобы производить электронные биороботы и машины
— Рашид Башир, соруководитель исследования, профессор биоинженерии и декан инженерного колледжа Грейнджера.
Группа профессора Башира стала пионерами в разработке небольших биологических роботов. Биороботы работают на мышечной ткани мыши, выращенной на мягком полимерном каркасе, напечатанном на 3D-принтере. В 2012 году учёные продемонстрировали ходячих биоботов, а в 2016 году — биоботов, активируемых светом. Активация светом давала исследователям некоторый контроль, но практическое применение было ограничено вопросом доставки световых импульсы биороботам за пределами лабораторий.
Ответ на этот вопрос дал профессор Северо-Западного университета Джон Роджерс, пионер в области гибкой биоэлектроники. Его команда помогла интегрировать в устройства крошечную беспроводную микроэлектронику и микро-светодиоды без батарей. Это позволило исследователям дистанционно управлять эбиоботами.
Это необычное сочетание технологии и биологии открывает огромные возможности для создания самовосстанавливающихся, обучающихся, развивающихся, общающихся и самоорганизующихся инженерных систем. Мы считаем, что это очень благодатная почва для будущих исследований с потенциалом применения в биомедицине и мониторинге окружающей среды
— Джон Роджерс, профессор материаловедения и инженерии, биомедицинской инженерии и неврологической хирургии в Северо-Западном университете и директор Института биоэлектроники Куэрри Симпсона.
Чтобы предоставить биоботам свободу передвижения для практического применения исследователи решили отказаться от громоздких батарей и проводов. Эбиоботы используют приёмную катушку для сбора энергии и обеспечивают регулируемое выходное напряжение для питания микро-светодиодов, сказал соавтор работы Чжэнвэй Ли, доцент кафедры биомедицинской инженерии в Университете Хьюстона.
Исследователи могут посылать беспроводной сигнал к эбиоботам, который побуждает светодиоды пульсировать. Светодиоды стимулируют сокращение светочувствительных инженерных мышц, перемещая полимерные ноги так, чтобы машины «ходили». Микро-светодиоды могут активировать определённые участки мышц, заставляя эбиобота поворачиваться в заданном направлении.
Исследователи использовали компьютерное моделирование для оптимизации конструкции эбиобота и интеграции компонентов, чтобы обеспечить надёжность, скорость и маневренность. Профессор механических наук и инженерии штата Иллинойс Маттиа Газзола руководил моделированием и проектированием эбиоботов. Итеративный дизайн и аддитивная 3D-печать каркасов позволили проводить быстрые циклы экспериментов и повышать производительность, сказали Газзола и соавтор исследования Сяотянь Чжан, постдокторант лаборатории Газзолы.
Соавтор работы Янгдок Ким проводил работу в роли аспиранта в Иллинойсе. Он пояснил, что конструкция позволит в будущем интегрировать дополнительную микроэлектронику, такую как химические и биологические датчики или напечатанные на 3D-принтере детали каркаса для транспортировки предметов, с которыми сталкиваются биороботы.
По словам исследователей, интеграция электронных датчиков или биологических нейронов позволит эбиоботам чувствовать токсины в окружающей среде и реагировать на них. Доцент Чжэнвэй Ли добавил, что разработка первого в мире гибридного биоэлектронного робота открывает дверь для инноваций в области здравоохранения, таких как биопсия и немедленные анализы на месте, хирургия с минимальным вмешательством и даже диагностика рака.
