Certains ingénieurs s'inspirent de la mécanique du vol des oiseaux et de l'architecture des nids d'abeilles. D'autres pensent beaucoup plus petit.

Une équipe dirigée par Mingming Wu, professeur de génie biologique et environnemental au Cornell University College of Agriculture and Life Sciences, ont créé des robots de la taille d'une cellule pouvant être alimentés et dirigés par des ondes ultrasonores. Malgré leur petite taille, ces micro-nageurs robotiques, dont les mouvements ont été inspirés par des bactéries et des spermatozoïdes, pourraient un jour être un nouvel outil formidable pour l'administration ciblée de médicaments.

Le papier de l'équipe, "Des nageurs micro-robotiques d'inspiration biologique contrôlés à distance par des ondes ultrasonores, " publié le 22 septembre dans Laboratoire sur puce , une publication de la Royal Society of Chemistry.

L'auteur principal de l'article est l'ancien chercheur postdoctoral Tao Luo.

Depuis plus d'une décennie, Le laboratoire de Wu a étudié comment les micro-organismes, des bactéries aux cellules cancéreuses, migrer et communiquer avec leur environnement. Le but ultime était de créer un micro-robot télécommandé capable de naviguer dans le corps humain.

"Nous pouvons faire des avions qui sont meilleurs que les oiseaux de nos jours. Mais à la plus petite échelle, il y a beaucoup de situations que la nature fait beaucoup mieux que nous. Bactéries, par exemple, ont eu des milliards d'années d'évolution pour perfectionner leur façon de faire, " a déclaré Wu. "Cela nous a amenés à penser que nous pouvons réellement concevoir quelque chose de similaire. Si vous pouvez envoyer des médicaments dans une zone ciblée, comme les cellules cancéreuses, alors vous n'aurez pas autant d'effets secondaires."

Parmi leurs attributs les plus ingénieux, citons le fait que les bactéries peuvent nager 10 fois la longueur de leur corps en une seconde et que les spermatozoïdes peuvent nager à contre-courant, dit Wu.

L'équipe de recherche de Wu a d'abord essayé de concevoir et d'imprimer en 3D un micro-robot qui imitait la façon dont les bactéries utilisent le flagelle pour se propulser. Cependant, comme les premiers aviateurs dont les avions encombrants étaient trop semblables à des oiseaux pour voler, cet effort s'est effondré. Lorsque Luo a rejoint le laboratoire de Wu, ils ont commencé à explorer une approche moins littérale. Le principal obstacle était de savoir comment l'alimenter. Comme une personne doit ramper avant de pouvoir marcher, un micro-robot a besoin d'être énergisé avant de pouvoir nager.

"Les bactéries et les spermatozoïdes consomment essentiellement des matières organiques dans le liquide environnant, et c'est suffisant pour les alimenter, " a déclaré Wu. "Mais pour les robots d'ingénierie, c'est difficile, car s'ils transportent une batterie, c'est trop lourd pour qu'ils bougent."

L'équipe a eu l'idée d'utiliser des ondes sonores à haute fréquence. Parce que l'échographie est silencieuse, il peut être facilement utilisé dans un laboratoire expérimental. En bonus supplémentaire, la technologie a été jugée sûre pour les études cliniques par la Food and Drug Administration des États-Unis.

Cependant, l'équipe a été déconcertée par le processus de fabrication. En collaboration avec le Cornell NanoScale Science and Technology Facility (CNF), Luo a essayé de créer un prototype avec la photolithographie, mais ça prenait du temps, et les résultats étaient inutilisables.

Le projet a reçu un coup de pouce crucial lorsque CNF a acheté un nouveau système de lithographie laser appelé NanoScribe, qui crée des nanostructures 3D par écriture directe sur une résine photosensible. La technologie a permis aux chercheurs de peaufiner facilement leurs conceptions à l'échelle micrométrique et de produire rapidement de nouvelles itérations.

Dans les six mois, Luo avait créé un micro-nageur robotique triangulaire qui ressemble à un insecte croisé avec une fusée. La caractéristique la plus importante du nageur est une paire de cavités gravées dans son dos. Parce que son matériau de résine est hydrophobe, lorsque le robot est immergé dans la solution, une minuscule bulle d'air est automatiquement piégée dans chaque cavité. Lorsqu'un transducteur à ultrasons est dirigé vers le robot, la bulle d'air oscille, générant des tourbillons, également appelés flux de ruissellement, qui propulsent le nageur vers l'avant.

D'autres ingénieurs ont déjà construit des nageurs "à bulle unique", mais les chercheurs de Cornell sont les premiers à mettre au point une version qui utilise deux bulles, chacun avec une ouverture de diamètre différent dans leur cavité respective. En faisant varier la fréquence de résonance des ondes sonores, les chercheurs peuvent exciter l'une ou l'autre des bulles ou les régler ensemble, contrôlant ainsi la direction dans laquelle le nageur est propulsé.

Le défi à venir sera de rendre les nageurs biocompatibles, afin qu'ils puissent naviguer parmi des cellules sanguines qui ont à peu près la taille qu'elles sont. Les futurs micro-nageurs devront également être constitués de matériaux biodégradables, afin que de nombreux bots puissent être envoyés à la fois. De la même manière qu'un seul spermatozoïde a besoin d'être fécondé pour réussir, le volume est la clé.

"Pour l'administration de médicaments, vous pourriez avoir un groupe de nageurs micro-robotiques, et si on échouait pendant le voyage, ce n'est pas un problème. C'est ainsi que la nature survit, " Wu a dit. " D'une certaine manière, c'est un système plus robuste. Plus petit ne veut pas dire plus faible. Un groupe d'entre eux est invincible. J'ai l'impression que ces outils inspirés de la nature sont généralement plus durables, parce que la nature a prouvé que cela fonctionne."