Робот меньше бактерии: как ученые создали микроскопического «уборщика», который работает на свету

Роботы умеют собирать автомобили, доставлять посылки и даже выполнять хирургические операции. А исследователи из Университета Вюрцбурга решили пойти в противоположную сторону и создали машину настолько маленькую, что рядом с ней даже бактерия кажется крупным объектом.

Размер нового робота — меньше одного микрометра. Это примерно в 50 раз меньше толщины человеческого волоса. При этом он умеет двигаться по заданному маршруту, поворачивать по команде и, что самое интересное, собирать и перевозить бактерии. Разработка принадлежит команде ученых из Университета Вюрцбурга и Института фотонных технологий Лейбница.

Чтобы проверить, насколько точно можно управлять такой крошечной машиной, исследователи устроили ей необычный тест. Наноробот должен был захватить бактерию Escherichia coli, известную нам как кишечная палочка, и провести ее по траектории в форме цифры 5. В другом эксперименте он собрал уже группу бактерий Staphylococcus carnosus и переместил их по заданному маршруту. Робот справился с обеими задачами.

На первый взгляд все это может показаться эффектным лабораторным трюком. Но управлять объектами такого размера на самом деле очень сложно. Обычные механические инструменты здесь просто не работают: нельзя взять микроскопический пинцет и аккуратно перенести отдельную бактерию из одного места в другое. Именно поэтому ученые давно ищут способы создавать машины, способные работать непосредственно в мире клеток и микроорганизмов.

И здесь возникает главный вопрос: как заставить двигаться робота, в который невозможно установить ни мотор, ни аккумулятор?

Вместо двигателя — свет

Ответ буквально находится на поверхности. Робот получает энергию от лазерного луча.

В его конструкции есть крошечные золотые элементы — плазмонные антенны. Исследователи направляют на них инфракрасный лазер с длиной волны 980 нанометров. Фотоны света передают наноструктуре импульс и заставляют ее двигаться в жидкости.

Звучит непривычно, но принцип довольно простой. Свет действительно способен оказывать давление на объекты. В повседневной жизни мы этого не замечаем, потому что воздействие чрезвычайно слабое. Но когда сам объект измеряется долями микрометра, даже импульса фотонов оказывается достаточно, чтобы привести его в движение.

Управлять направлением тоже можно с помощью света. Если изменить его поляризацию — то есть, проще говоря, направление колебаний световой волны, — робот поворачивает. При линейной поляризации он движется вперед, а короткий импульс света с круговой поляризацией позволяет развернуть его примерно на 90 градусов. Поэтому исследователям не приходится физически перемещать лазер вслед за устройством: маршрут можно менять самим световым сигналом.

Во время экспериментов скорость наноробота достигала 50 микрометров в секунду. Для нас это практически незаметное движение — за секунду он преодолевает расстояние примерно с толщину человеческого волоса. Но стоит вспомнить размеры самого аппарата, и цифра выглядит совсем иначе: за одну секунду робот способен пройти расстояние, во много раз превышающее длину его собственного корпуса.

Охота на бактерии

Никаких микроскопических клешней или захватов у нового робота нет. Чтобы собрать бактерии, ученые снова использовали свет. Когда лазер попадает на золотые элементы робота, они немного нагреваются. В жидкости вокруг устройства возникает небольшая разница температур, из-за которой находящиеся рядом частицы начинают перемещаться. Этот процесс называется термофорезом.

Исследователи настроили систему так, что бактерии собирались вокруг наноробота. Получалось своеобразное микроскопическое «облако», которое устройство могло увезти вместе с собой. Когда лазер выключали, эффект исчезал и бактерии снова расходились.

Причем робот оказался способен работать не только с одной клеткой. В экспериментах он собирал целые группы микроорганизмов и продолжал двигаться даже тогда, когда бактериальный груз был в сотни раз тяжелее его самого.

Именно поэтому авторы называют разработку nanoscale robotic cleaner — нанороботом-уборщиком. В одном из опытов устройство проходило через выбранный участок жидкости и собирало находившиеся там бактерии, буквально оставляя за собой очищенную область.

Но зачем вообще понадобилось создавать настолько маленького «уборщика» и где подобная технология может пригодиться за пределами лаборатории? Здесь возможности оказываются гораздо интереснее простой очистки воды.

Зачем вообще нужны такие «уборщики»

Очищать стакан воды от бактерий с помощью одного крошечного робота, конечно, никто не собирается. Главная ценность разработки в другом: ученые получили инструмент, который может работать с объектами примерно своего размера — отдельными бактериями и клетками.

Сегодня для подобных задач существуют, например, оптические пинцеты. Они позволяют удерживать и перемещать микроскопические объекты с помощью сфокусированного лазерного луча. Технология применяется в биологических исследованиях уже много лет, но обычно один такой «пинцет» работает с одним объектом. Наноробот из Вюрцбурга способен собрать вокруг себя сразу несколько бактерий и увезти всю группу в нужное место. Причем в экспериментах для этого требовалась интенсивность лазера примерно в сто раз ниже, чем при обычном оптическом захвате бактерий.

Для живых клеток это особенно важно. Чем мощнее лазер, тем выше риск нагреть или повредить объект, который ученые пытаются исследовать. В новой системе повышение температуры оставалось локальным и составляло менее 10 градусов. Авторы работы отмечают, что при таких условиях воздействие на биологические клетки остается минимальным.

В перспективе подобные устройства могут пригодиться там, где необходимо не просто увидеть микроскопический объект, а что-то с ним сделать: переместить отдельные клетки, собрать микроорганизмы в одном месте или доставить вещество точно к заданной точке. Исследователи называют среди возможных направлений биоинженерию, локальные сенсоры и адресную доставку лекарств.

Последний вариант звучит особенно заманчиво. Теоретически микроскопический аппарат мог бы переносить препарат непосредственно туда, где он нужен, вместо того чтобы лекарство распространялось по всему организму. Но до такого применения нынешнему роботу еще очень далеко.

В организм его пока не запустишь

Все эффектные эксперименты проходили в контролируемой лабораторной среде. Исследователи помещали роботов в водную суспензию с двумя видами бактерий — Escherichia coli и Staphylococcus carnosus — и наблюдали за ними через мощный микроскоп.

В человеческом организме условия несравнимо сложнее. Здесь есть кровь и другие биологические жидкости, ткани, клетки и множество препятствий, которых нет в лабораторном образце. Кроме того, нынешнему нанороботу необходим внешний лазер. Инфракрасный свет должен попасть на его золотые элементы и продолжать управлять движением, а глубоко внутри организма сделать это значительно труднее.

Есть и другое ограничение. Сейчас робот в основном передвигается по двум направлениям в плоскости. Авторы уже объясняют, как систему можно доработать для более свободного движения, однако пока это следующий этап исследований.

Поэтому представлять, как армия таких машин через пару лет отправится по кровеносным сосудам искать опасные бактерии, пока рано. 

Когда свет становится инструментом

В этой разработке есть еще одна интересная деталь. Обычно свет нужен ученым, чтобы наблюдать микромир: подсвечивать образцы, получать изображения, изучать клетки под микроскопом. Здесь его роль изменилась. Свет одновременно приводит робота в движение, задает ему направление и помогает собирать бактерии.

«Это яркий пример того, как свет можно использовать не только для наблюдения за микроскопическим миром, но и для активного воздействия на него», — объясняет один из авторов исследования, физик Берт Хехт.

И именно поэтому эксперимент интереснее, чем может показаться по забавному прозвищу «робот-уборщик». Перед нами пока не медицинский нанобот из фантастического фильма и не готовое устройство для очистки воды. Это скорее новый способ взаимодействовать с миром, в котором обычные инструменты становятся слишком большими.

Пока такой робот умеет выполнять довольно простую работу: добраться до бактерий, собрать их, перевезти и отпустить в другом месте. Но еще недавно даже точно управлять машиной размером меньше микрометра было отдельной сложной задачей.

Теперь ученые заставили ее работать с живыми объектами почти своего масштаба. И если технологию удастся развить дальше, нанороботам вполне может найтись работа там, куда не доберутся ни человеческая рука, ни даже самый тонкий хирургический инструмент.