Ученые научились командовать бактериями

Исследователи из Дрексельского университета научили микророботов, движущихся в жидкой среде, правильно обходить препятствия, ориентируясь по электрическому полю. О работе ученых рассказывает статья, опубликованная в IEEE Transactions on Robotics.

Микророботы представляли собой кубики из светочувствительного полимерного материала (фоторезиста) SU-8. На поверхность кубиков был нанесен бактериальный «ковер» — множество оснащенных жгутиками бактерий Serratia marcescens выполняли роль «коллективного мотора». Так как бактерия имеет отрицательный заряд, движением робота можно было управлять с помощью электрического поля, которое задавало общее направление перемещения. Исследователи могли изменять как напряжение, так и ориентацию поля.

Главной целью исследования было создать модель движения частиц, которая учитывала бы сложное взаимодействие между внешним полем вокруг частиц и их собственным движением, которое генерировали бактерии. Дело в том, что хотя приложение электричества заставляет всех отрицательно заряженных роботов сдвигаться к «плюсу», в каждой конкретной точке среды это происходит по-разному. Препятствия на пути вносят сильные искажения в ориентацию и напряженность электрического поля (особенно на углах), и это заметно влияет на движение микророботов. Чтобы научится управлять движением и не допускать столкновений (а потенциально такие роботы должны работать в кровеносных капиллярах и межклеточном пространстве), исследователям нужно было создать модель, которая бы позволила точно предсказывать траекторию частиц и управлять ею, учитывая влияние препятствий.

Чтобы создать такую систему, авторам пришлось записать множество треков для каждого отдельного микроробота при разной ориентации и напряжении поля. На основе этих данных были получены параметры силы, которые развивают бактерии, закрепленные на разных стронах кубиков. Эти параметры потом использовались в электромеханическом моделировании движения вокруг произвольного набора препятствий.

В результате ученые получили алгоритм, который позволяет бактериальным роботам двигаться в среде, заполненной многими частицами примерно того же размера что и они сами. При этом обходить препятствия они могут с разными стратегиями: «При таком уровне контроля мы можем запрограммировать робота делать серию оценочных суждений для того, чтобы избежать препятствия на пути. Например, если мы захотим, чтобы микроробот избегал столько препятствий, сколько возможно, или чтобы он выбрал самый короткий путь, даже если на нем встречаются препятствия», — поясняет один из исследователей.

Сотрудники университета планируют продолжить заниматься разработкой и создать систему, состоящую из микророботов с «бактериевыми двигателями», которые могут выполнять манипуляции с живыми клетками. Такие системы, по мнению ученых, могут найти множество применений, включая манипулирование стволовыми клетками.

В прошлом году ученые из Калифорнийского университета в Сан-Диего использовали микророботов как транспортное средство для доставки определенных веществ в желудок мыши. Эти микророботы состояли из цинка, а средством движения служила химическая реакция материала с желудочной кислотой.