Vi điện tử cung cấp điều khiển từ xa cho robot sinh học

Một nhóm nhà nghiên cứu tại Đại học Illinois Urbana-Champaign, Đại học Northwestern và các tổ chức hợp tác cho biết, “eBiobot” lai là sản phẩm đầu tiên kết hợp các vật liệu mềm, cơ sống và vi điện tử. Họ mô tả cỗ máy sinh học ở quy mô centimet của mình trên tạp chí Science Robotics.

Đồng lãnh đạo Rashid Bashir, giáo sư kỹ thuật sinh học Illinois và hiệu trưởng trường Cao đẳng Kỹ thuật Grainger, cho biết: “Việc tích hợp vi điện tử cho phép hợp nhất thế giới sinh học và thế giới điện tử, cả hai đều có nhiều lợi thế riêng, để sản xuất các máy móc và biobot điện tử này có thể hữu ích cho nhiều ứng dụng y tế, cảm biến và môi trường trong tương lai”.

Nhóm của Bashir đi tiên phong trong việc phát triển robot sinh học nhỏ được cung cấp năng lượng từ mô cơ chuột được phát triển trên bộ xương polymer in 3D mềm. Họ đã trình diễn biobot biết đi vào năm 2012 và biobot được kích hoạt bằng ánh sáng vào năm 2016. Việc kích hoạt bằng ánh sáng mang lại cho các nhà nghiên cứu một số quyền kiểm soát, nhưng các ứng dụng thực tế bị hạn chế bởi câu hỏi làm thế nào để truyền xung ánh sáng tới các biobot bên ngoài môi trường phòng thí nghiệm.

Câu trả lời cho câu hỏi đó đến từ giáo sư John A. Rogers của Đại học Northwestern, người tiên phong trong lĩnh vực điện tử sinh học linh hoạt, nhóm của ông đã giúp tích hợp các vi điện tử không dây cực nhỏ và đèn LED siêu nhỏ không dùng pin. Điều này cho phép nhà nghiên cứu điều khiển eBiobot từ xa.

Rogers, giáo sư khoa học và kỹ thuật vật liệu, kỹ thuật y sinh và phẫu thuật thần kinh tại Đại học Northwestern, Giám đốc của Viện điện tử sinh học Querrey Simpson, bình luận: “Sự kết hợp bất thường giữa công nghệ và sinh học này mở ra nhiều cơ hội trong việc tạo ra các hệ thống kỹ thuật có khả năng tự phục hồi, học hỏi, phát triển, giao tiếp và tự tổ chức. Chúng tôi cảm thấy đó là mảnh đất rất màu mỡ cho nhiều nghiên cứu trong tương lai với đa dạng ứng dụng tiềm năng cụ thể trong y sinh học và giám sát môi trường”.

Để mang lại cho biobot sự tự do di chuyển cần thiết cho những ứng dụng thực tế, nhóm nhà nghiên cứu bắt đầu loại bỏ pin cồng kềnh và dây dẫn. Đồng tác giả đầu tiên Zhengwei Li, trợ lý giáo sư kỹ thuật y sinh tại Đại học Houston, cho biết eBiobot sử dụng một cuộn dây thu để thu năng lượng và cung cấp điện áp đầu ra được điều chỉnh để cấp nguồn cho mạng đèn LED siêu nhỏ.

Nhóm nhà nghiên cứu gửi tín hiệu không dây đến eBiobot để kích hoạt mạng đèn LED. Mạng đèn LED kích thích cơ bắp được thiết kế nhạy cảm với ánh sáng co lại, di chuyển các chân polyme để máy “đi”. Mạng đèn LED vi mô nhắm mục tiêu sao cho chúng có thể kích hoạt những phần cơ cụ thể, khiến eBiobot quay theo hướng mong muốn. Nhóm nhà nghiên cứu sử dụng mô hình tính toán nhằm tối ưu hóa thiết kế eBiobot và tích hợp thành phần để đạt được độ bền, tốc độ và khả năng cơ động.

Giáo sư khoa học cơ khí và kỹ thuật Illinois Mattia Gazzola và đồng tác giả đầu tiên Xiaotian Zhang, nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại phòng thí nghiệm của Gazzola, cho biết thiết kế lặp đi lặp lại và in 3D phụ gia của giàn giáo cho phép thực hiện chuỗi chu kỳ thí nghiệm nhanh chóng và cải thiện hiệu suất. Nhóm nhà nghiên cứu cho biết việc tích hợp hệ thống cảm biến điện tử hoặc tế bào thần kinh sinh học cho phép eBiobot cảm nhận và phản ứng với mọi chất độc trong môi trường, dấu ấn sinh học đối với bệnh tật và nhiều khả năng khác.

Li nói: “Khi phát triển một robot điện tử sinh học lai đầu tiên, chúng tôi đang mở ra cánh cửa cho một mô hình ứng dụng giúp đổi mới chăm sóc sức khỏe, chẳng hạn như sinh thiết và phân tích tại chỗ, phẫu thuật xâm lấn tối thiểu hoặc thậm chí phát hiện ung thư trong cơ thể con người”.