Une nouvelle étude du laboratoire de Thomas Mallouk montre comment les « fusées, " alimenté par des ondes acoustiques et un moteur à bulles embarqué, peut être conduit à travers des paysages 3D de cellules et de particules à l'aide d'aimants. La recherche était une collaboration entre des chercheurs de Penn et de l'Université de San Diego, l'Institut de technologie Harbin à Shenzhen, et l'Université d'État de Pennsylvanie, où l'étude a été initialement menée, et a été publié dans Avancées scientifiques .

L'histoire de l'origine des minuscules fusées a commencé par une question scientifique fondamentale :les scientifiques pourraient-ils concevoir des vaisseaux nano et microscopiques qui utilisent des produits chimiques comme carburant pour voyager à travers le corps humain ? Quinze ans de recherche par Mallouk et d'autres ont montré que la réponse courte était « oui, " mais les chercheurs se sont heurtés à des obstacles importants pour utiliser ces navires dans des applications biomédicales, car les produits chimiques qu'ils utilisaient pour le carburant, comme le peroxyde d'hydrogène, étaient toxiques.

Une découverte « accidentelle » a conduit Mallouk et son groupe à se concentrer sur l'utilisation d'un tout autre type de carburant :les ondes sonores. En essayant de déplacer leurs fusées en lévitation acoustique, un processus utilisé pour soulever des particules d'une lame de microscope avec des ondes sonores à haute fréquence, le groupe a été surpris de constater que les ultrasons faisaient se déplacer les robots à des vitesses très rapides. Mallouk et son équipe ont décidé d'étudier plus avant ce phénomène pour voir s'ils pouvaient utiliser des ondes sonores à haute fréquence pour alimenter leurs minuscules vaisseaux.

Le dernier article du groupe détaille la conception des fusées microscopiques, ressemblant à une tasse à fond rond de 10 microns de longueur et de cinq microns de largeur, ou de la taille d'une particule de poussière. Les gobelets arrondis sont imprimés en 3D par lithographie laser et contiennent une couche externe d'or et des couches internes de nickel et un polymère. Le traitement avec un produit chimique hydrophobe après la coulée de l'or provoque la formation d'une bulle d'air et son piégeage à l'intérieur de la cavité de la fusée.

En présence d'ondes ultrasonores, la bulle à l'intérieur de la fusée est excitée par une oscillation haute fréquence à l'interface eau-air, qui transforme la bulle en moteur embarqué. La fusée peut alors être dirigée à l'aide d'un champ magnétique externe. Chaque fusée individuelle a sa propre fréquence de résonance, ce qui signifie que chaque membre d'une flotte peut être conduit indépendamment des autres. Les minuscules fusées sont également incroyablement habiles, capable de monter des escaliers microscopiques et de nager librement en trois dimensions à l'aide de palmes spéciales.

L'une des caractéristiques les plus uniques de la fusée est sa capacité à déplacer d'autres particules et cellules avec une grande précision, même dans des environnements surpeuplés. Les vaisseaux robotiques peuvent soit pousser les particules dans la direction souhaitée, soit utiliser une approche de « faisceau tracteur » pour tirer des objets avec une force d'attraction. Mallouk dit que la capacité de pousser des objets sans perturber l'environnement « n'était pas disponible à plus grande échelle, " ajoutant que l'approche du faisceau tracteur utilisée par les navires de plus grande taille n'est pas aussi efficace pour les mouvements précis. " Il y a beaucoup de contrôle que vous pouvez faire à cette échelle de longueur, " il ajoute.

A cette taille particulière, les fusées sont suffisamment grosses pour ne pas être impactées par le mouvement brownien, les mouvements aléatoires et erratiques subis par les particules de l'ordre du nanomètre, mais sont suffisamment petits pour déplacer des objets sans perturber l'environnement qui les entoure. "A cette échelle de longueur particulière, nous sommes juste au point de croisement entre le moment où la puissance est suffisante pour affecter d'autres particules, " dit Mallouk.

En augmentant ou en diminuant la quantité de « carburant » acoustique que les chercheurs fournissent aux fusées, ils peuvent également contrôler la vitesse des minuscules vaisseaux. "Si je veux que ça aille lentement, Je peux couper le courant, et si je veux que ça aille très vite, Je peux mettre le courant, " explique Jeff McNeill, un étudiant diplômé qui travaille sur des projets de moteurs à nano- et micro-échelle. "C'est un outil vraiment utile."

Mallouk et son laboratoire explorent déjà un certain nombre de domaines possibles de recherche future, y compris les moyens d'actionner les fusées avec de la lumière, et fabriquer des fusées encore plus petites qui seraient plus rapides et plus fortes pour leur taille. Futures collaborations avec les ingénieurs et roboticiens de Penn, dont Dan Hammer, Marc Miskin, Vijay Kumar, James Pikul, et Kathleen Stebe, pourrait aider à rendre les fusées "intelligentes" en leur permettant d'équiper les navires de puces informatiques et de capteurs pour leur donner autonomie et intelligence.

Alors que le groupe considère le large potentiel médical de la micro-fusée, de l'imagerie médicale à la nano-robotique, Mallouk dit, « Nous aimerions avoir des robots contrôlables qui peuvent effectuer des tâches à l'intérieur du corps :fournir des médicaments, artères d'enracinement de rotor, surveillance diagnostique."