気泡と超音波で駆動するマイクロロボット

気泡と超音波で駆動するマイクロロボットナノテクノロジー

ある技術者は、鳥の飛翔の仕組みや蜂の巣の構造からインスピレーションを得ています。

しかし、それよりもはるかに小さいものを考えるエンジニアもいます。

農学生命科学部のMingming Wu教授(生物・環境工学)率いるチームは、超音波で動力を与え、操縦することができる細胞サイズのロボットを開発しました。

バクテリアや精子にヒントを得て作られたこのマイクロロボットは、その小さなサイズにもかかわらず、いつの日か、ターゲットを絞ったドラッグデリバリー(送薬)の強力な新ツールになるかもしれません。

研究チームの論文「Biologically Inspired Micro-Robotic Swimmers Remotely Controlled by Ultrasound Waves」は、英国王立化学会発行のLab on a Chip誌に2021年9月22日付けで掲載されました。

この論文の主執筆者は、元博士研究員のTao Luo氏です。

Wu氏の研究室では、10年以上にわたり、バクテリアからがん細胞まで、微生物がどのように移動し、環境とコミュニケーションをとるかを研究してきました。

最終的な目標は、人体内を移動できる遠隔操作可能なマイクロロボットを作ることでした。

「今では鳥よりも優れた飛行機を作ることができます。しかし、最小のスケールでは、自然が人間よりもはるかに優れたことをしている場面がたくさんあります。例えば、バクテリアは何十億年もの進化を経て、自分たちのやり方を完成させてきました。そこで私たちは、同じようなことを工学的に実現できないかと考えました。癌細胞のように、狙った場所に薬を送ることができれば、副作用も少なくなるでしょう」とWu氏は言います。

バクテリアは1秒間に体長の10倍の長さを泳ぐことができ、精子は流れに逆らって泳ぐことができるなど、より独創的な特性を持っているとWu氏は言います。

Wu氏の研究チームは当初、バクテリアが鞭毛を使って自走する方法を真似たマイクロロボットを設計し、3Dプリントしようとしました。

しかし、初期の飛行士たちが、鳥のような形をした飛行機を使っていたように、この試みは失敗に終わりました。

Luo氏はWu氏の研究室に加わり、文字通りの方法ではない方法を模索し始めました。

一番の問題は、動力源をどうするかです。

マイクロロボットが泳ぐためにはエネルギーを与えなければなりません。

「バクテリアや精子は、基本的に周囲の液体中の有機物を消費するので、それだけで十分な動力源になります。しかし、人工的に作られたロボットの場合は、バッテリーを搭載すると重すぎて動けなくなってしまうので大変です。」

そこでチームは、高周波の音波を利用することを思いつきました。

超音波は音が小さいので、実験室で簡単に使うことができます。

おまけに、米国食品医薬品局(FDA)から臨床研究の安全性が認められています。

しかし、研究チームはその製作過程でつまづいていました。

コーネル大学のCNF(Cornell NanoScale Science and Technology Facility)の協力を得て、Luo氏はフォトリソグラフィー1感光性の物質を塗布した物質の表面を、パターン状に露光することで、露光された部分と露光されていない部分からなるパターンを生成する技術。で試作品を作成しようとしましたが、時間がかかり、結果も使い物にならなかったといいます。

しかし、CNFが感光性樹脂に直接書き込むことで3次元ナノ構造を形成する「ナノスクライブ」という新しいレーザーリソグラフィーシステムを購入したことで、このプロジェクトは大きく前進しました。

感光性樹脂に直接書き込むことで、3次元のナノ構造を作り出すことができる。この技術により、研究者たちはマイクロメートル単位でデザインを簡単に調整し、新しいものを素早く作り出すことができるようになった。

Luo氏は6ヵ月後に、昆虫とロケットを掛け合わせたような三角形のマイクロロボットスイマーを完成させました。

超音波によって動力と操縦が可能な細胞サイズのロボットスイマー

超音波によって動力と操縦が可能な細胞サイズのロボットスイマー。©Cornell University

このスイマーの最大の特徴は、背中に刻まれた一対の空洞です。

疎水性の樹脂を使用しているため、ロボットを溶液に浸すと、自動的に空洞に小さな気泡が入ります。

超音波振動子をロボットに向けると、気泡が振動して渦が発生し、その渦がスイマーを前進させるのです。

1つの気泡を使ったスイマーはこれまでにも開発されていましたが、コーネル大学の研究者たちは、それぞれの空洞に異なる直径の開口部を持つ2つの気泡を使ったスイマーを初めて開発しました。

音波の共振周波数を変化させることで、どちらかの気泡を励起したり、2つの気泡を同調させたりして、スイマーの推進方向をコントロールすることができます。

今後の課題は、自分たちとほぼ同じ大きさの血球の中を泳げるように、生体適合性を持たせることです。

また、将来のマイクロスイマーは、一度に多くのロボットを送ることができるように、生分解性の素材で構成される必要があります。

受精の際に1匹の精子が成功すればいいのと同じように、体積が重要なのです。

「薬物送達のために、マイクロロボットのスイマーのグループを作ることができますが、旅の途中で1つが失敗しても問題ありません。自然はそうやって生き延びていくのです。」とWu氏は言います。

「ある意味では、より堅牢なシステムといえます。小さくても弱いわけではありません。集団であれば無敵です。自然が証明してくれているのですから、このような自然にヒントを得たツールは、一般的にもっと持続可能なものだと思います。」

Published by Cornell University. Tao Luo et al, Biologically inspired micro-robotic swimmers remotely controlled by ultrasound waves, Lab on a Chip (2021). DOI: 10.1039/D1LC00575H
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