S'inspirant de la biologie et de l'étagère à jouets, des chercheurs de la Thayer School of Engineering du Dartmouth College et de la City University of Hong Kong ont développé un robot nageur avec un moteur cellulaire contrôlé par la lumière qui peut effectuer une administration de médicament hautement ciblée.

Les chercheurs ont combiné l'ingénierie tissulaire cardiaque, une structure d'aile imprimée en 3D et un gel photosensible pour produire le robot souple avec une capacité de démarrage-arrêt. L'appareil commutable transforme sa forme lorsqu'il est exposé à une lumière proche infrarouge pénétrant la peau, l'amenant à conduire et à freiner dans des environnements fluides comme la circulation sanguine humaine.

Le dispositif transformable améliore considérablement l'utilité des robots conçus pour fonctionner à l'intérieur du corps humain et d'autres environnements de travail non conventionnels.

L'équipe de recherche de la City University of Hong Kong a produit la conception originale du robot et a effectué les tests expérimentaux. L'équipe de Dartmouth a effectué une analyse mécanique et numérique sur l'appareil et a suggéré des modifications aux éléments de conception tels que la taille et la forme.

"Avec cette technologie, nous pouvons créer des robots transformables souples avec une maniabilité sans précédent, " dit Zi Chen, professeur adjoint d'ingénierie à Thayer. "Notre inspiration est venue de jouets transformables qui ont différentes configurations et fonctionnalités. Le résultat n'est pas un jouet, cela peut littéralement changer la vie des gens."

Les organismes vivants sont capables de changer de forme pour effectuer des actions spécifiques. Un hérisson se met en boule pour se défendre. Les oiseaux déploient leurs ailes pour voler. Les plantes carnivores telles que l'attrape-mouches de Vénus s'ouvrent et se ferment. La nouvelle étude fait partie d'un effort à long terme pour développer des robots qui imitent ce comportement de changement de forme trouvé dans la nature.

Pour être efficace, la nouvelle génération de robots doit être économe en énergie et doit pouvoir répondre à différents types de stimulus, comme la lumière ou la chaleur.

Bien que des exemples de ces types de robots existent déjà, les chercheurs ont eu du mal à créer un appareil qui transforme couramment sa forme pour lui permettre de démarrer et d'arrêter de bouger à la demande. La plupart des systèmes existants dépendent également de variations de température difficiles à stimuler dans le corps humain en raison de sa température quasi constante.

"La capacité de contrôler le mouvement du robot à l'aide de la lumière crée un appareil beaucoup plus fonctionnel qui peut être utilisé avec une grande précision, " dit Xiaomin Han, un doctorat récent. diplômé du Chen Research Lab de Thayer.

Le robot télécommandé est entraîné par une nageoire caudale qui imite l'action de nage des baleines. La structure a été imprimée en 3D sous la forme d'une aile d'avion, puis recouverte de cellules musculaires cardiaques. De la même manière que les cardiomyocytes font battre le cœur en continu, ils propulsent également ce dispositif biohybride par une action ondulante constante.

Pour contrôler le mouvement du robot, les chercheurs ont appliqué des hydrogels photosensibles aux ailes. En l'absence de lumière, les ailes se déploient, permettant aux cellules cardiaques de le propulser vers l'avant. Lorsqu'il est exposé à la lumière, l'avion flottant rétracte ses ailes, provoquant son arrêt.

"Les muscles cardiaques continuent de battre, mais ils sont incapables de vaincre le pouvoir d'arrêt des ailes, " a déclaré Chen. "C'est comme appuyer sur la pédale d'accélérateur avec le frein d'urgence activé."

La haute sensibilité du robot à la lumière proche infrarouge crée un taux de réponse qui permet une transformation presque immédiate de la forme de l'aile, lui permettant d'être très maniable. Dans l'étude, les chercheurs ont utilisé la "contrôlabilité et la réactivité sans précédent" du robot flottant comme transporteur de fret pour effectuer une administration ciblée de médicaments contre les cellules cancéreuses.

"Nous avons littéralement largué des bombes médicamenteuses sur des cellules cancéreuses, " a déclaré Chen. " La réalisation du concept transformable ouvre la voie au développement potentiel de systèmes robotiques biohybrides intelligents de prochaine génération. "

Le robot biohybride peut être produit dans une variété de tailles allant de plusieurs millimètres à des dizaines de centimètres. Une telle évolutivité lui confère une bonne flexibilité pour assumer des tâches liées à la navigation et à la surveillance dans des environnements difficiles.

Une étude décrivant la recherche est apparue pour la première fois dans la revue académique Petit fin mars.

Dans l'étude actuelle, les chercheurs contrôlent le mouvement marche-arrêt de l'ensemble du robot grâce à l'utilisation de la lumière. Les recherches futures utiliseront la lumière pour cibler des ailes séparées sur le robot afin qu'il puisse être dirigé avec encore plus de précision.

Cette recherche a été réalisée avec Peng Shi et Bingzhe Xu de la City University of Hong Kong. Yuwei Hu et Chia-Hung Chen de l'Université nationale de Singapour et Yiming Luo de l'Université de technologie du Hubei ont également contribué à l'étude.