血管内も通過可能、環境適合型人工スイマーが開発される

EPFLとETHチューリッヒの科学者は、周囲の状況に応じて形を変えることができるマイクロロボットを開発しました。バクテリアをモデルとした生体適合性を持つこれらのロボットは、人体の届きにくい場所に到達するように動きを最適化します。これにより、体内の届きにくい場所(患部)へ薬を運ぶ応用も可能で、ターゲットを絞ったドラッグデリバリーに革命を起こすのではないかと期待されています。

本日紹介する論文 Adaptive locomotion of artificial microswimmers

バクテリアからインスピレーションを得た環境に適合する人工スイマー

EPFLのSelman Sakar氏とETH ZurichのBradley Nelson氏が率いる科学者たちのグループは、バクテリアからインスピレーションを得て、非常に柔軟でスマートな生体適合性のあるマイクロロボットを設計しました。この装置は必要に応じて体液を泳いだり形状を変更したりすることができ、スピードや操作性を犠牲にすることなく細い血管や複雑なシステムを通過することができます。

生物学的バリアを乗り越え、身体の流体中を動くことができ、遠隔の患部にアクセスすることができる微細な人工のスイマーは、体内の届きにくい場所(患部)へ薬を運ぶなどの応用も考えられ、医療治療に革命をもたらすことが期待されます。

具体化された知性

Science Advancesに掲載された論文の中で、科学者たちはロボットの形状を「プログラミング」するための方法を説明しています。

一般的に、ロボットについて考えるとき、複雑な電子システム、センサー、バッテリー、そしてアクチュエーターを装備した大型の機械などを想像しますが、今回開発したマイクロロボットはまったく異なるもので、ロボットにセンサ、バッテリ、アクチュエータなどを詰め込むのではなく、周囲の電磁場の変化に反応して、制御する事を可能にする磁性ナノ粒子を詰め込みました。

面倒なセンサーやアクチュエーターを使用せずにパフォーマンスを最大化するように、これらの変形を事前に「プログラム」することもできます。また、このロボットは環境に順応する特別な構成と構造を持っていて、電磁場を使用して制御したり、流体の流れを利用して自身で操作し移動することもできます。

例えば、もしロボットが粘度や浸透圧濃度の変化に遭遇した場合、彼らは動きの方向の制御を失うことなくスピードと操作性を維持するために形状を適合させます。いずれにせよ、彼らは最も効果的な形に自動的にモーフィングします。

折り紙の設計原理を利用

このマイクロロボットの製作には、フレームワークとして折り紙の設計原理を利用した技術を使っています、折畳み技術は、3次元(3D)の柔軟な微細構造の発展のために持ち出されました。
小さくでプログラム可能な折りたたみの膜の生産は、異なる膨れた特性、または空間濃度勾配の違いにより複数の層のパターン構成で作られます。

しかし、これらの方法は、機械の磁気的特性に対する制御が限られています。そこでチームは以前の研究で開発した、磁気ナノ粒子(MNP)をヒドロゲル層に取り込むことによって、折られたマイクロマシンの形と磁化側面が独立してプログラムされるのではないかと考えました。

以下の動画では、まるでサカナのように尾を振って泳いだりしてる様子を確認できます。

 

薬というと口から飲み込んだり、注射することがほとんどですが、本当に効いてほしい場所だけに薬が届いているわけではありません。体内に入れた薬は体中に広がってしまい、思いもよらない副作用を招くこともあります。

とくに抗がん剤はがん細胞の増殖を抑える反面、正常な細胞にもダメージを与えるおそれがあります。ドラッグデリバリーシステムは必要な場所に、必要な薬を届けてくれる技術で、現在、さまざまな方法が模索されています。今回ご紹介した、人口スイマーが実用化すれば、副作用の多い医療治療などの強力な味方になってくれることでしょう。