05.05.2009
На фото: Длина искусственных бактерий флагелла примерно половина ширины человеческого волоса. Они могут плыть со скоростью одна длина бактерии в секунду. (Image: Institute of Robotics and Intelligent Systems/ETH Zurich)
B. Nelson et al. Artificial bacterial flagella: Fabrication and magnetic control. Appl. Phys. Lett. 94, 064107 (2009); DOI:10.1063/1.3079655.
Впервые ученые из Швейцарии построили крошечного магнитного микроробота, который копирует движение настоящих жгутиковых бактерий. Роботы и по форме напоминают бактерии, например, E. coli: это крошечные спиральки с маленькими головками, которые плывут, ввинчиваясь в жидкость. Их движение напоминает перемещение неуклюжих жгутиковых бактерий с длинными хвостами. Поэтому они получили название “Artificial Bacterial Flagella” (ABFs) – или искусственный бактериальный жгутик. Увидеть микророботов, правда, можно только под микроскопом. Их длина достигает 25-60 микрометров (длина большинства жгутиковых бактерий - 5-15 микрометров).
Искусственные бактерии придумали, изготовили ученые под руководством Брэдли Нельсона (Bradley Nelson), профессора Института Робототехники и интеллектуальных систем в Цюрихе (the Institute of Robotics and Intelligent Systems at ETH Zurich). А управлять ими можно с помощью магнитного поля. В отличие от своих реальных прототипов, которые способны вызывать настоящие болезни, ABFs, по замыслу разработчиков, помогут в их лечении.
Для создания искусственных бактерий, ученые использовали несколько методов. Сначала на подложки в определенной последовательности осаждали ультратонкие слои из индия, галлия, мышьяка и хрома. Затем с помощью литографии и травления получили очень тонкие и длинные полоски, которые сами закручиваются, когда их отделяют от подложки. Это связано с тем, что у разных слоев осаждаемых элементов различное строение кристаллических решеток. Комбинируя состав и последовательность слоев, исследователи научились изготавливать спиральки нужного размера. «Мы можем определять не только размер спиральки, но даже направление ее закручивания», - рассказывает Нельсон.
Затем к одному из концов спиральки присаживают головку – микро-робота, которая состоит из трех осажденных пленок из хрома, никеля и золота. Никель – магнитомягкий материал, в отличие от других, немагнитных. «Такая крошечная магнитная головка позволяет ABF двигаться определенным образом в магнитном поле», - объясняет Нельсон. За плывущей в жидкости ABF, которая может двигаться и вращаться в любом направлении, можно следить с помощью микроскопа.
С помощью сложного программного обеспечения ученые двигают ABF к выбранной цели, изменяя направление и силу вращающегося магнитного поля, которое производят катушки индуктивности. У ABFs нет движущихся частей, что улучшает маневренность. Главное, что нужно таким искусственным бактериям, это магнитное поле, по которому ориентируются их головки. ABFs способны плыть со скоростью до 20 микрометров в секунду. Нельсон планирует увеличить этот показатель в пять раз. Для сравнения, E. coli проплывает 30 микрометров в секунду.
Как же можно использовать ABFs? В первую очередь, для нужд биомедицины. Например, для переноса лекарства к нужному органу, удаления бляшек в артериях или для манипулирования с клеточными структурами. В первых экспериментах ученые заставили ABFs переносить сферы из полистирола.
Но до возможных применений ученым предстоит провести немало экспериментов. Чтобы использовать искусственные бактерии в организме человека, надо научить их точно добираться до выбранной цели и придумать способ следить за ними без оптических приборов, объясняет Нельсон. Пока ученые пытаются уменьшить размеры ABFs и сделать их более маневренными и быстрыми.
http://www.ethlife.ethz.ch/archive_articles/090406_Flagelle_mas/index_EN
