Microzwemmers kunnen medicijnen afleveren

Als je maar een paar micrometer lang bent, kan zwemmen heel lastig zijn. Op die schaal is de viscositeit van water vergelijkbaar met die van honing en er kan niet worden vertrouwd op een momentum om de voorwaartse beweging in stand te houden. Er zijn natuurlijk micro-organismen die methoden hebben ontwikkeld om deze uitdagingen te overwinnen, maar kleine robots hebben het nog niet onder de knie.

Maar nu hebben onderzoekers van het Georgia Institute of Technology complexe rekenmodellen gebruikt om een zwemmende microrobot te ontwerpen, die ‘vracht' kan transporteren en kan navigeren met behulp van stimuli zoals licht.

 Hydogels

Als ze daadwerkelijk worden gebouwd werken ze op basis van volumeveranderingen in unieke materialen - hydrogels genaamd -  waardoor kleine flapjes gaan bewegen die de robot voortstuwen. Dergelijke microzwemmers zouden kunnen worden gebruikt voor de toediening van medicijnen, in lab-on-a-chip microfluïdische systemen en zelfs in zwermen van micro-constructie robots.

 "Wij denken dat onze simulaties aanleiding zijn om de experimentele ontwikkeling van zulke robots aan te pakken en verder te gaan dan wat er nu al mogelijk is", zegt Alexander Alexeev, assistent professor op de George W. Woodruff School of Mechanical Engineering van Georgia Tech. "We wilden het principe demonstreren voor de beweging van dergelijke kleine robots door te onderzoeken wat daarvoor van belang is en wat er nodig zou zijn om een echt systeem te bouwen."

Oscilleren

De simpele zwemmer die is ontworpen door Alexeev en zijn medewerkers Hassan Masoud en Benjamin Bingham bestaat uit een body van een responsieve gel van ongeveer 10 micrometer lang, met twee voortstuwingsflappen die aan beide zijden van de body zijn bevestigd. Een stuurflap die gevoelig is voor specifieke stimuli zou dan worden geplaatst aan de voorkant van de zwemmer. De gel zou periodieke expansie en contractie ondergaan, getriggerd door oscillerende chemische reacties, oscillerende magnetische of elektrische velden of door cycli van temperatuurwisselingen. Deze expansies en contracties - het chemisch zwellen en krimpen van het materiaal - veroorzaken een heen-en-weer gaande beweging van de rigide voortstuwingsflappen en daardoor verplaatst de zwemmer zich. De route van de zwemmer zou worden bepaald door een flexibele stuurflap aan de voorkant. Deze zou moeten worden vervaardigd van een materiaal dat deformeert op basis van veranderingen in lichtintensiteit, temperatuur of magnetisch veld.

Simpel

"De combinatie van deze flappen en de oscillerende body zorgt voor een mooie beweging die volgens ons kan worden gebruikt om te zwemmen", zegt Alexeev. "Om op microschaal een toestel te bouwen dat autonoom is en zichzelf voortbeweegt moeten we niet denken aan een minuscule onderzeeër - we moeten het simpel houden."

Essentieel voor de werking van de zwemmer is de nieuwste generatie hydrogels - materialen waarvan het volume cyclisch verandert. Die hydrogels zouden dienen als chemische motoren. Degelijk materialen bestaan momenteel al en ze worden verder ontwikkeld voor allerlei toepassingen.

 "We hebben het over de state-of-th-art in materiaalwetenschappen," verklaard Masoud, promovendus op de School of Mechanical Engineering. "We hebben de materialen gecombineerd met de principes van de hydrodynamica op microschaal."

De onderzoekers hopen uiteindelijk te kunnen gaan samenwerken met een experimenteerteam om echte microzwemmers te bouwen. "We hopen dat de simulatie in het echt wordt uitgevoerd. Dankzij de simulaties moet dat kunnen zonder uitgebreide trial-and-eroor iteraties,"

Geen wedstrijdzwemmes

De microzwemmers zullen de Olympische Spelen niet winnen. Alexeev verwacht dat hun topsnelheid in de orde van enkele micrometer per seconde zal liggen - maar dat is voldoende voor het doel waarvoor ze worden ontwikkeld. "Als je maar enkele micrometers groot bent is zo'n snelheid niet eens heel slecht. Het is natuurlijk langzaam maar op dat formaat en op deze schaal hoef je niet heel snel te gaan, want je hoeft slechts korte afstanden af te leggen."