Ученые создали микроскопических роботов из водорослей с невероятными способностями к плаванию

Группа исследователей из Института интеллектуальных систем Макса Планка (MPI-IS) в Штутгарте разработала биогибридного микропловца. Он покрыт магнитным материалом, у которого способность к плаванию остается практически неизмененной из-за покрытия. Группа из отдела физического интеллекта в MPI-ISопубликовала свою работу в журнале Matter, который охватывает широкий спектр исследований в области материаловедения.

В природе одноклеточные микроводоросли, размером всего в десять микрометров, являются исключительными пловцами, движимыми двумя кнутообразными жгутиками спереди. Однако было неясно, как они будут себя вести, если их покрыть тонким слоем природного полимера хитозана (для лучшей адгезии), смешанного с магнитными наночастицами. Смогут ли они после этого по-прежнему перемещаться в узких пространствах, а также продвигаться через вязкую жидкость с плотностью, похожей на слизь.

Ученые обнаружили, что их микропловцы на основе зеленых водорослей почти не пострадали от дополнительной нагрузки. С помощью своих жгутиков, которые выполняют движение брассом, водоросли катапультировались вперед, как пуля.

Несмотря на покрытие, они сохранили свою скорость плавания после намагничивания, продемонстрировав среднюю скорость плавания 115 микрометров в секунду (около 12 длин тела в секунду). Для сравнения: олимпийский пловец, такой как Майкл Фелпс, может развивать скорость 1,4 длины тела в секунду. При этом водоросль — это всего лишь клетка без ног и ступней.

Биргюль Аколпоглу и Саадет Фатма Балтаджи, которые совместно руководили исследованием, являются учеными из отдела физического интеллекта в MPI-IS. Несколько лет назад они исследовали, как микропловцы на основе бактерий могут управляться магнитом в жидкостных пространствах для приложений доставки лекарств.

Теперь они обратили свое внимание на микроводоросли. Их целью было функционализировать поверхность одноклеточных организмов с помощью магнитного материала, чтобы их можно было направлять в любом желаемом направлении превратив микроводоросли в микроробота.

Покрытие клеток заняло всего несколько минут, и в итоге девять из десяти водорослей были успешно покрыты магнитными наночастицами. Сначала команда протестировала своего биогибридного робота, плавающего в жидкости, такой же жидкой, как вода. Используя внешние магнитные поля, они смогли контролировать направление, в котором плавали микроводоросли.

Затем исследователи направили своего робота вдоль миниатюрных 3D-печатных цилиндров, создав сильно ограниченную среду, в которой наибольший размер был всего в три раза больше размера крошечных микроводорослей. Чтобы проверить, было ли управление успешным, команда установила две разные системы: одну с магнитными катушками, а другую с постоянными магнитами вокруг своего микроскопа. Они создали однородное магнитное поле и многократно меняли его направление.

«Мы обнаружили, что биогибриды микроводорослей перемещаются по 3D-печатным микроканалам тремя способами: возврат, пересечение и магнитное пересечение. Без магнитного управления водоросли часто застревали и возвращались к началу. Но с магнитным управлением они двигались более плавно, избегая границ», — говорит соавтор Биргюль Аколпоглу.

По его словам, магнитное управление помогло биогибридам выровняться по направлению поля, показав реальный потенциал для навигации в ограниченном пространстве, как если бы им дали крошечный GPS.

На следующем этапе команда увеличила вязкость жидкости и снова отправила своих микророботов через узкие каналы. «Мы хотели проверить, как наши пловцы будут себя вести в чем-то похожем на слизь. Мы обнаружили, что вязкость влияет на то, как плавают биогибриды микроводорослей. Более высокая вязкость замедляет их и изменяет способ, которым они плывут вперед. Когда мы применили магнитное поле, пловцы колебались, двигаясь вперед зигзагообразным образом. Это подчеркивает, как тонкая настройка вязкости и магнитного выравнивания может оптимизировать навигацию микророботов в сложных условиях», — добавляет Балтачи.

Команда исследователей утверждает, что их целью было использовать микророботов в сложных и небольших средах, которые сильно ограничены, например, в тканях людей. Они также отметили, что этот прорыв открывает двери для таких приложений, как адресная доставка лекарств, предоставляя биосовместимое решение для медицинских процедур с захватывающим потенциалом для будущих инноваций в биомедицине и за ее пределами.

Ранее другие исследователи также разработали роботизированный материал, который трансформируется подобно живому организму. Вдохновленные эмбрионами, дискообразные роботы используют магниты, двигатели и свет для перехода между жесткими и жидкими состояниями. Это самовосстанавливающаяся, меняющая форму система, которая может изменить то, как люди взаимодействуют с материалами и строят.