Kunstmatige minirobot reinigt water en transporteert cellen

Robotisering op miniscuul niveau. Dat is wat onderzoekers van de TU Eindhoven hebben gedaan met de ontwikkeling van een kleine plastic robot gemaakt van responsieve materialen. Deze beweegt onder invloed van licht en magnetisme. In de toekomst zou deze ‘draadloze aquatische poliep’  vervuilende deeltjes uit het omringende water kunnen halen, of cellen kunnen oppikken en transporteren voor analyse in diagnostische systemen.

De minirobot is geïnspireerd op een koraalpoliep; een klein zacht dier met tentakels waaruit koralen in de oceaan bestaan. Promovendus Marina Pilz Da Cuncha zegt daarover in een persbericht op de website van TU Eindhoven: “Ik was geïnspireerd door de beweging van deze koraalpoliepen, vooral door hun zelf gegenereerde waterstroming, waarmee ze echt een interactie aangaan met hun omgeving.” De stam van de levende poliep maakt een specifieke beweging waardoor deze een waterstroming opwekt die voedseldeeltjes aantrekt. Vervolgens grijpen de tentakels de voorbij drijvende voedseldeeltjes.

Beweging op licht

De ontwikkelde draadloos aangestuurde kunstmatige poliep is 1 bij 1 cm, heeft licht gestuurde tentakels en een stam die op magnetisme reageert. “Het combineren van deze twee stimuli is nog niet vaak gedaan omdat het delicate maak- en assemblageprocessen vergt. Maar voor het maken van robots is het heel interessant, omdat het complexe bewegingen en taken mogelijk maakt”, legt Pilz Da Cunha uit. De tentakels bewegen door ze te beschijnen met licht. Verschillende golflengten geven een ander resultaat. Zo ‘grijpen’ de tentakels onder invloed van UV-licht, terwijl ze ‘loslaten’ met blauw licht. In deze video is te zien hoe de kunstmatige poliep de ronddrijvende oliedruppel aantrekt en deze vervolgens vast grijpt. De stam draait rond zijn as, onder invloed van magnetisme. De poliep creëert daarmee een stroming in het water. Deze stroming trekt de oliedruppels naar de tentakels toe. De tentakels sluiten vervolgens rondom de oliedruppel, onder invloed van UV-licht. Blauw licht kan de tentakels weer openen, zodat de druppel vrij komt.

Van land naar water

Het nu gepresenteerde apparaat kan objecten onder water vastgrijpen en weer loslaten. Dat is een nieuwe feature van de eerder dit jaar gepresenteerde licht aangedreven mini-pakketbezorger. Deze land-robot bleek niet onder water te werken, omdat de polymeren waaruit de robot is opgebouwd werken op fotothermische signalen. De warmte die door het licht wordt gegenereerd, in plaats van het licht zelf, voedde de robot. Pilz Da Cunha: “En warmte wordt snel afgevoerd in het water, dus het sturen van de robot was niet mogelijk onder water.” Ze ontwikkelde daarom een fotomechanisch materiaal, een materiaal dat alleen onder invloed van licht beweegt. Zonder warmte.

En dat is niet het enige voordeel van het nieuwe materiaal. Naast werken onder water, kan het ook zijn vorm vasthouden na licht-activatie. Terwijl het fotothermische materiaal na het verwijderen van de stimulus direct weer naar zijn oorspronkelijke vorm terugkeert, nemen de moleculen in het fotomechanische materiaal een nieuwe toestand in. Hierdoor zijn verschillende stabiele vormen mogelijk. “Dat helpt bij het controleren van de grijparm; eenmaal iets gevangen blijft de robot zijn buit vasthouden tot je het weer opnieuw beschijnt”, aldus Pilz Da Cunha.

Roterende magneet

Door een roterende magneet onder de robot te plaatsen, cirkelt de stam als het ware om zijn as, zoals te zien is in de video. Pilz Da Cunha: “Het was daardoor mogelijk om de drijvende objecten in het water, in ons geval oliedruppels, daadwerkelijk naar de poliep toe te bewegen.”

De stand van de tentakels (open, dicht of iets daartussenin), bleek invloed te hebben op de stroming. “Computersimulaties, met verschillende tentakel-standen, hebben ons uiteindelijk geholpen om de beweging van de stam te begrijpen en daardoor precies goed te krijgen. En om zo de oliedruppels naar de tentakels te ‘lokken’”, licht Pilz Da Cunha toe.

Het mooie is dat de robot onafhankelijk van de samenstelling van de omringende vloeistof opereert. Dat is uniek, want de meeste gebruikte stimuli-responsieve materialen in onderwatertoepassingen, de hydrogelen, zijn juist gevoelig voor hun omgeving. Hydrogelen gedragen zich daarom anders in vervuild water. Pilz Da Cunha: “Onze robot werkt juist precies hetzelfde in zout water, of in water met vervuilingen. Sterker nog, de poliep kan in de toekomst wellicht vervuilingen uit het water filteren, door deze met zijn tentakels te vangen.”

Zwemmende robot?

Promovendus Pilz Da Cunha is nu bezig met de vervolgstap: een array van poliepen die samen kunnen werken. Daarmee hoopt ze transport van deeltjes te kunnen verwezenlijken, waarbij de ene poliep een ‘pakketje’ doorgeeft aan de andere. Een zwemmende robot staat ook nog op haar verlanglijst. Toepassingen hiervoor zijn bijvoorbeeld biomedische zaken als medicijntransport of het afvangen van specifieke cellen.

Daarvoor moeten de onderzoekers nog wel werken aan de golflengten waarop het materiaal reageert. “UV-licht tast cellen aan, en de penetratiediepte in het menselijk lichaam is beperkt. Bovendien kan het UV-licht wellicht de robot beschadigen, waardoor die minder lang mee zal gaan. Daarom gaan we werken aan een robot die geen UV-licht nodig heeft als stimulus.”

Bron: TU Eindhoven
Video: Pilz Da Cunha.