Roboții de livrare a medicamentelor: o mișcare surprinzătoare
În viitor, roboții miniaturali ar putea să înoate prin corpul uman pentru a livra medicamente. Acestea ar viza doar zonele afectate, cum ar fi tumorile, evitând țesuturile sănătoase și minimizând efectele secundare.
O echipă de cercetare condusă de Ebru Demir, profesor asistent de inginerie mecanică și mecanică la Colegiul de Inginerie și Științe Aplicate P.C. Rossin al Universității Lehigh, împreună cu colaboratorii On Shun Pak (Universitatea Santa Clara) și Roberto Zenit (Universitatea Brown), studiază modul în care roboții minuscule se deplasează prin fluidele corporale. Recent, aceștia au publicat un articol în revista Applied Physics Letters, oferind noi informații fundamentale.
Provocarea constă în faptul că fluidele corporale sunt greu de navigat. Sângele și mucusul sunt fluide non-Newtoniene, ceea ce înseamnă că vâscozitatea lor se schimbă sub stres de tăiere – forța de frecare generată atunci când straturile de fluid alunecă unele pe altele sau pe o suprafață solidă, cum ar fi peretele unui vas de sânge.
„Am descoperit că reologia, sau proprietățile fluidului, a afectat locomotiva înotătorilor”, afirmă Amin Balazadeh Koucheh, autor principal al lucrării și student în anul doi la doctorat în grupul de cercetare al lui Demir. „În mod specific, am constatat că înotătorul și-a inversat direcția de mișcare atunci când am crescut frecvența de acționare într-un fluid non-Newtonian. Acest fenomen a fost demonstrat numeric de grupul nostru de cercetare, dar aceasta a fost prima dată când a fost arătat experimental.”
Echipa a utilizat două tipuri de înotători miniaturali, o sferă și un helicoid (modelat după forma de tirbușon a anumitor bacterii). Aceștia au încorporat un magnet în fiecare și i-au testat mai întâi într-un fluid Newtonian. (Vâscozitatea fluidelor Newtoniene, cum ar fi apa sau alcoolul, nu se schimbă, indiferent de cât de mult este agitat sau amestecat fluidul.) Deși au folosit înotători de dimensiuni de milimetri, au corelat fizica microswimming-ului prin creșterea vâscozității fluidelor de testare.
Prin acționarea magnetică a înotătorilor, cercetătorii i-au determinat să se rotească și să se deplaseze înainte. Pe măsură ce au crescut frecvența rotației, înotătorii au continuat, așa cum era de așteptat, să se deplaseze înainte cu o viteză mai mare.
În același timp, modul în care înotătorii împingeau fluidul din jurul lor, aproape de perete, le provoca mișcarea laterală în timp ce se deplasau înainte, rezultând o traiectorie diagonală. Însă, atunci când au fost plasați într-un fluid sintetic non-Newtonian destinat să simuleze mucusul sau sângele, cercetătorii au observat un comportament neașteptat: sub aceeași acționare magnetică, înotătorii se deplasau lateral în direcția opusă față de cea în care se mișcau într-un fluid Newtonian.
„Ei încep să alunece înapoi, într-un sens. E aproape ca și cum schimbarea fluidului schimbă linia de sosire pentru fiecare înotător”, spune Ben Ratnor.
Importanța acestei mișcări neașteptate este legată de obiectivul final al echipei: manipularea cu succes a înotătorilor. Pentru a face acest lucru, trebuie mai întâi să înțeleagă modul în care înotătorii reacționează la diferite medii.
„Ambele tipuri de înotători au arătat această mișcare de alunecare înapoi”, afirmă Balazadeh Koucheh. „Deci, acum înțelegem că reologia este suficientă pentru a afecta acest fenomen, mai degrabă decât forma. Este o descoperire foarte interesantă, deoarece scopul nostru este să controlăm acești înotători în fluide de tip shear-thinning, cum ar fi mucusul și sângele.”
Următorul pas al cercetării este de a explora efectele reologiei asupra înotătorilor proiectați la microscală – înotătorii din acest studiu având dimensiuni de milimetri – și cu forme diferite.
Deși livrarea țintită a medicamentelor rămâne un obiectiv îndepărtat, astfel de descoperiri reprezintă progrese incrementale care vor aduce conceptul din teorie în practică.
„Același înotător se comportă complet diferit în funcție de ceea ce înoată prin, iar aceasta este o manevră puternică pentru control”, afirmă Demir. „În trecut, consideram fluidul doar ca un mediu. Acum începem să-l vedem ca parte a mașinii.”
