23/01/2023
Door Ad Spijkers
Eerst liepen ze. Toen zagen ze het licht. Nu hebben miniatuur biologische robots ook afstandsbediening.
De hybride 'eBiobots' zijn de eersten die zachte materialen, levende spieren en micro-elektronica combineren, aldus onderzoekers van de University of Illinois in Urbana-Champaign, Northwestern University in Evanston (Illinois) en hiermee samenwerkende instellingen. Door micro-elektronica te integreren, kunnen de biologische wereld en de elektronicawereld samensmelten, beide met veel eigen voordelen. De elektronische biobots en machines kunnen in de toekomst nuttig zijn voor veel medische, sensor- en milieutoepassingen.
Combinatie van technologieën
De kleine biologische robots worden aangedreven door spierweefsel van muizen, dat is gegroeid op een zacht 3D-geprint polymeerskelet. De onderzoekers demonstreerden wandelende biobots in 2012 en door licht geactiveerde biobots in 2016. De lichtactivering gaf de onderzoekers enige controle, maar praktische toepassingen werden beperkt door de vraag hoe de lichtpulsen aan de biobots moesten worden afgeleverd buiten een laboratoriumomgeving.
Het antwoord op die vraag was de integratie van kleine draadloze micro-elektronica en batterijloze micro-LED's. Hierdoor konden de onderzoekers de eBiobots op afstand besturen. Met afstandsbediening kunnen de eBiobots rond obstakels manoeuvreren.
De ongebruikelijke combinatie van technologie en biologie biedt veel mogelijkheden voor het creëren van zelfgenezende, lerende, evoluerende, communicerende en zelforganiserende technische systemen. Volgens de onderzoekers is het een vruchtbare voedingsbodem voor toekomstig onderzoek met specifieke potentiële toepassingen in de biogeneeskunde en milieubewaking.
Voortbeweging
Om de biobots de bewegingsvrijheid te geven die nodig is voor praktische toepassingen, probeerden de onderzoekers omvangrijke batterijen en vastbindende draden te elimineren. De eBiobots gebruiken een ontvangerspoel om stroom te oogsten en een gereguleerde uitgangsspanning te leveren om de micro-LED's van stroom te voorzien.
De onderzoekers kunnen een draadloos signaal naar de eBiobots sturen, waardoor de LED's gaan pulseren. Dit stimuleert de lichtgevoelige, geconstrueerde spier om samen te trekken, waardoor de polymeerbenen bewegen zodat de apparaatjes 'lopen'. De micro-LED's zijn zo gericht dat ze specifieke spierdelen kunnen activeren, waardoor de eBiobot in de gewenste richting draait.
De onderzoekers gebruikten rekenmodellen om het eBiobot-ontwerp en de integratie van componenten te optimaliseren voor robuustheid, snelheid en wendbaarheid. Het iteratieve ontwerp en additieve 3D-printen van de dragers maakten snelle cycli van experimenten en prestatieverbetering mogelijk.
Toekomst
Het ontwerp maakt toekomstige integratie van aanvullende micro-elektronica mogelijk, zoals chemische en biologische sensoren, of 3D-geprinte drageronderdelen voor functies zoals het duwen of transporteren van dingen die de biobots tegenkomen. De integratie van elektronische sensoren of biologische neuronen zou de eBiobots in staat stellen om giftige stoffen in het milieu, biomarkers voor ziekte en meer mogelijkheden te detecteren en erop te reageren, aldus de onderzoekers.
Door een allereerste hybride bio-elektronische robot te ontwikkelen, openen ze de deur voor een nieuw paradigma van toepassingen voor innovatie in de gezondheidszorg. Te denken valt aan in-situ biopsies en analyse, minimaal invasieve chirurgie of zelfs kankerdetectie in het menselijk lichaam.
De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.
Foto: L. Brian Stauffer