Искусственные мышцы на основе микропузырьков: новый прорыв

Исследователи из ETH Zurich разработали инновационные искусственные мышцы, в основе которых лежат микропузырьки, управляемые с помощью ультразвука. Эти разработки открывают широкие перспективы для применения в технической и медицинской сферах, включая создание захватов, тканевых заплаток, систем адресной доставки лекарств и миниатюрных роботов.

На первый взгляд, материал может показаться результатом обычного эксперимента: тонкая полоска силикона начинает изгибаться под воздействием короткого ультразвукового импульса. Однако это лишь начало. Команда под руководством Даниэля Ахмеда, профессора акустической робототехники для наук о жизни и здравоохранения, представила новое поколение искусственных мышц – гибкие мембраны, реагирующие на ультразвук благодаря тысячам микропузырьков.

Создание микроструктур для гибкого движения

Искусственные мышцы были изготовлены с использованием формовочного штампа, создающего определенную микроструктуру. Полученная силиконовая мембрана имеет на нижней стороне мельчайшие поры, глубиной и диаметром около 100 микрометров – сравнимо с толщиной человеческого волоса. При погружении мембраны в воду в этих порах задерживаются крошечные микропузырьки.

Под воздействием звуковых волн эти микропузырьки начинают колебаться, создавая направленный поток, который приводит мышцу в движение. Размер, форма и расположение микропузырьков могут быть точно отрегулированы, что позволяет воспроизводить движения от равномерного изгиба до волнообразных паттернов. Мышцы реагируют в течение миллисекунд и управляются беспроводным способом.

Нежное захватывание и плавное движение

Исследователи продемонстрировали несколько вариантов применения своих искусственных мышц. Одним из них стал миниатюрный мягкий захват. В ходе эксперимента ученым удалось аккуратно захватить личинку данио-рерио в воде и затем безопасно отпустить ее.

«Было удивительно наблюдать, насколько точно и при этом бережно функционировал захват; личинка затем уплыла невредимой», – делится впечатлениями Чжиюань Чжан, бывший аспирант Ахмеда и один из ведущих авторов исследования. Ученые также создали робота, напоминающего крошечного ската, для демонстрации волнообразных движений. Его ширина около четырех сантиметров. Два искусственных мышечных элемента имитируют функцию грудных плавников. При ультразвуковом воздействии мышцы генерируют волнообразное движение, позволяя мини-роботу скользить по воде без каких-либо кабелей.

«Волнообразное движение стало для нас настоящим прорывом, – говорит Ахмед. – Это демонстрирует, что мы можем использовать микропузырьки не только для простых движений, но и для создания сложных паттернов, подобных тем, что встречаются в живых организмах».

Долгосрочные перспективы использования этих устройств, названных исследователями «stingraybots», включают применение в желудочно-кишечном тракте для высокоточной доставки лекарств или поддержку минимально инвазивных процедур. Исследователи уже продумали, как доставить «stingraybot» в желудок: предлагается свернуть робота и поместить его в специально разработанную капсулу, которую можно проглотить. Капсула затем растворится в желудке пациента.

Подходят для замкнутых пространств и деликатных поверхностей

Исследователи также разработали миниатюрную колесовидную силиконовую структуру с микропузырьками разного размера, которую также можно приводить в движение с помощью ультразвука. В экспериментах на свином кишечнике ученые продемонстрировали способность навигации по его извилистым участкам путем последовательного стимулирования микропузырьков разного размера.

«Кишечник – это особенно сложная среда, поскольку она узкая, изогнутая и неровная», – поясняет Чжан Ши, еще один бывший аспирант Ахмеда и второй ведущий автор исследования. «Поэтому было особенно впечатляюще, что наш колесный робот смог там передвигаться».

Кроме того, разработаны медицинские пластыри, которые под действием ультразвука способны прикрепляться к изогнутым поверхностям. Эти пластыри могут быть специально адаптированы для различных типов тканей и доставлять лекарства в строго определенные места, например, для лечения рубцов или опухолей. В лабораторных экспериментах команда уже успешно доставила краситель в заданную точку тканевой модели.

Мягкие мышцы с потенциалом для медицинских применений

«Мы начали с фундаментальных исследований, прежде чем продемонстрировать универсальность этих искусственных мышц, – резюмирует Ахмед. – Области их применения варьируются от доставки лекарств до локомоции в желудочно-кишечном тракте и создания кардио-пластырей».

Хотя технология пока ограничена лабораторными испытаниями, она обладает огромным потенциалом для будущих медицинских и технических разработок. В долгосрочной перспективе эти мягкие искусственные мышцы могут способствовать более точной доставке медикаментов и сделать процедуры менее инвазивными. Благодаря сочетанию биосовместимости, гибкости и беспроводного управления, они представляют собой перспективный инструмент для медицинских применений. Для исследователей путь к акустически управляемым мышцам только начинается.