Ученые создали киборгов из коловраток и использовали их для очистки воды

Исследователи часто используют живые системы в качестве источника вдохновения для проектирования и конструирования микро- и наноразмерных двигателей, приводов, датчиков и роботов. Что касается двигательной установки, большое внимание было уделено самоходным химическим приводам микро/наноразмерных двигателей, таких как каталитические нанопроволоки или сферические микрочастицы Janus.

Одной из областей применения микророботов является обеззараживание воды, например, активное разложение органических загрязнителей в растворе.

«Несмотря на то, что микророботы в последнее время оказались успешными для очистки обеззараженной воды в лабораторных масштабах, основной задачей в этой области является масштабирование этих приложений до реальных условий окружающей среды», – профессор Джозеф Ван , председатель отдела наноинженерии и директор Центра носимых датчиков в Университет Калифорнии в Сан-Диего, рассказывает Nanowerk. «Чтобы сделать это, нам нужно преодолеть токсичность их химического топлива, короткий промежуток времени биосовместимых микромоторов на основе магния и работу небольшого домена с микророботами с внешним управлением».

В своей недавней работе над самоходными биогибридными микророботами Ван и его команда были вдохновлены недавними разработками биогибридных киборгов, которые объединяют самоходные бактерии с функционализированными синтетическими наноструктурами для транспортировки материалов.

«Эти крошечные киборги невероятно эффективны для транспортировки материалов, но мы наблюдали ограничение, заключающееся в том, что они не обеспечивают крупномасштабное смешивание жидкостей», – отмечает Ван. «Мы хотели объединить лучшие свойства обоих миров. Поэтому мы искали лучшего кандидата для создания более надежного биогибрида для смешивания и решили использовать коловратку (Brachionus ) в качестве двигателя киборга».

Эти морские микроорганизмы, размеры которых составляют от 100 до 300 микрометров, являются удивительными существами, поскольку они уже обладают способностью восприятия, энергетической автономией и обеспечивают возможность смешивания больших объемов жидкости. Они также очень устойчивы и могут выживать в очень суровых условиях и даже являются одним из немногих организмов, которые выжили благодаря бесполому размножению.

«Вдохновившись научной фантастикой концепции кибернетического организма, или киборга – где организм обладает улучшенными способностями благодаря интеграции какого-либо искусственного компонента, – мы разработали самоходный биогибридный микроробот, которого мы назвали ротиботом, и в качестве двигателя использовали», говорит Фернандо Сото, первый автор статьи об этой работе («Расширенные функциональные материалы » , «Rotibot: использование коловраток в качестве самоходных биогибридных микроочистителей» ).

Это первая демонстрация биогибридного киборга, используемого для удаления и разложения загрязняющих веществ из раствора. Технический прорыв, позволивший команде выполнить эту задачу, основан на новом механизме изготовления, основанном на избирательном накоплении функционализированных микрошариков во рту микроорганизма: коловратка служит не только в качестве транспортного сосуда для активного материала или груза, но и действует как мощный биологический насос, поскольку он создает потоки жидкости, направленной к его рту для питания.

Механизм формирования ротибота

• i) микрошарики, приближающиеся ко рту коловратки из-за сильного направленного потока,
• ii) при контакте с ресничками шарики прилипают к их кончикам,
• iii) реснички во внутренних губах коловратки накапливают частицы в этом месте и освобождают реснички для последующей адгезии.

Конкретные активные участки функционализированных микрошариков на ротовой полости коловратки подвергаются воздействию высокой скорости потока, создаваемой скоординированными движениями коловраток полос ресничек, которые создают поле потока в направлении рта.

Исследователи используют этот поток без внешней силы, чтобы доставить загрязняющие вещества в направлении их «микрофильтра киборга». Команда использовала отрицательный заряд на поверхности ресничек коловратки для удержания положительно заряженных функциональных частиц – пластиковых микрошариков с ферментами, которые используются для разложения или улавливания загрязняющих веществ в воде.

«Например, мы продемонстрировали ускоренную дезактивацию бактерий (E. coli), нервных агентов (метилпараоксона) и ионов тяжелых металлов (Cd и Pb) из водных растворов, превращая киборга в своего рода микро-Roomba», – говорит Сото.

Свободно плавающий ротибот, иллюстрирующий смешивание трассирующих частиц в растворе.

В будущем команда стремится расширить границы возможностей нашей новой платформы. Первоначально они стремятся сделать эту платформу полностью разлагаемой путем замены пластиковых (латексных и полистирольных) микрошариков, использованных в этом испытании, на биоразлагаемые функциональные микрочастицы.

Они также надеются, что этот метод может быть распространен на другие приложения дезактивации путем изменения функционализации прикрепленных микрошариков.

Формирование роев микроциборгов путем стимулирования коллективного поведения, использования их групповой реакции на определенные раздражители, является еще одним пунктом в их списке.

«Основной задачей для нас является создание универсальной платформы, которая может быть преобразована в различные приложения», – заключает Ван. «Это потребует тонкой настройки работы очистителей киборга и синхронизации между механизмом микроорганизмов и желаемой задачей».