Результаты, опубликованные сегодня в журнале Science Advances, открывают путь для создания микроботов и сборок микро-оригами, которые могут служить инструментами для определения характеристик клеток, микромиксерами жидкости и компонентами искусственных мышц и мягких биомиметических устройств.«Это исследование посвящено актуальной теме — активные частицы, которые берут энергию из окружающей среды и преобразуют ее в направленное движение», — сказал Орлин Велев, профессор химической и биомолекулярной инженерии INVISTA в штате Северная Каролина и соавтор статьи. .Чтобы создать оригами микроботов, исследователи начали с микроскопических полимерных кубиков, которые являются металлическими с одной стороны, что позволяет металлической стороне действовать как магнит. В зависимости от расположения кубики можно собирать разными способами.
«Поскольку они намагничены и взаимодействуют, кубики накапливают энергию», — сказал Велев. «Крошечные частицы в форме кубов могут соединяться друг с другом в последовательности, где они смотрят в разные стороны, чтобы образовать, например, кластеры, которые ведут себя как крошечный Pac-Man: вы можете открыть их, применив магнитное поле, а затем позволить им приблизиться выключают магнитное поле. Они закрываются, потому что высвобождают накопленную магнитную энергию.
Таким образом, вы вводите внутреннюю энергию каждый раз, когда открываете микрокластеры, и высвобождаете ее, когда они закрываются ».Затем исследователи дали крошечному Pac-Manу конкретную задачу: захватить живую клетку, в данном случае дрожжевую клетку. Микробот принял квадратную форму и, открывая и закрывая его, «плавал», окружая дрожжевую клетку.
Затем исследователи отключили магнитное поле, которое контролировало складывание микробота, чтобы захватить дрожжевую клетку, переместили ее и, наконец, выпустили.«Мы показали здесь прототип самосвертывающегося микробота, — сказал Велев, — который можно использовать в качестве микроинструмента для исследования реакции определенных типов клеток, например, раковых».«Ранее описанные микророботические структуры были ограничены выполнением простых задач, таких как толкание и проникновение в объекты из-за их твердых тел. Возможность удаленного управления динамической реконфигурацией нашего микробота создает новый« набор инструментов »для управления микромасштабными объектами и взаимодействия с его микросредой. , — сказал Кухи Хан, доктор философии. кандидат в NC State и первый автор статьи.
«По мере того, как микробот складывается, он может сжимать жидкости или твердые тела, и вы можете использовать его в качестве инструмента для измерения объемных механических свойств, таких как жесткость», — сказал Уятт Шилдс, научный сотрудник Университета Дьюка и Университета штата Северная Каролина, соавтор статьи. . «В некотором смысле это новый метрологический инструмент для измерения упругости на микроскопическом уровне».Авторы утверждают, что дизайн микробота-оригами имитирует природу. «Последовательность куба программирует формы складывающихся микроботов. Белки работают точно так же, — сказал Шилдс. «Последовательность аминокислот в белке будет определять, как он складывается, точно так же, как последовательность кубиков в нашем микроботе определяет, как он складывается».
Велев говорит, что будущая работа будет сосредоточена на том, чтобы частицы двигались сами по себе, а не на управлении ими с помощью магнитных полей. Хан работает над созданием ботов, которые самоходно перемещаются в сложных жидкостях с неньютоновским поведением.
Шилдс изучает, как динамику изменения формы микробота можно использовать для изучения микроструктуры окружающих макромолекул.
