Microeletrônica dá aos pesquisadores um controle remoto para robôs biológicos

Primeiro, eles caminharam. Então, eles viram a luz. Agora, os robôs biológicos em miniatura ganharam um novo truque: o controle remoto.

Os “eBiobots” híbridos são os primeiros a combinar materiais macios, músculos vivos e microeletrônica, disseram pesquisadores da Universidade de Illinois Urbana-Champaign, Northwestern University e instituições colaboradoras. Eles descreveram suas máquinas biológicas em escala de centímetros na revista Ciência Robótica.

“A integração da microeletrônica permite a fusão do mundo biológico e do mundo da eletrônica, ambos com muitas vantagens próprias, para agora produzir esses biorobôs eletrônicos e máquinas que podem ser úteis para muitas aplicações médicas, de detecção e ambientais no futuro”, disse o estudo. co-líder Rashid Bashir, professor de bioengenharia de Illinois e reitor do Grainger College of Engineering.

O grupo de Bashir foi pioneiro no desenvolvimento de biobots, pequenos robôs biológicos alimentados por tecido muscular de camundongos cultivados em um esqueleto de polímero macio impresso em 3D. Eles demonstraram biobots ambulantes em 2012 e biobots ativados por luz em 2016. A ativação por luz deu aos pesquisadores algum controle, mas as aplicações práticas foram limitadas pela questão de como entregar os pulsos de luz aos biobots fora de um ambiente de laboratório.

A resposta a essa pergunta veio do professor da Northwestern University, John A. Rogers, pioneiro em bioeletrônica flexível, cuja equipe ajudou a integrar minúsculos microeletrônicos sem fio e micro-LEDs sem bateria. Isso permitiu que os pesquisadores controlassem remotamente os eBiobots.

“Esta combinação incomum de tecnologia e biologia abre vastas oportunidades na criação de sistemas de engenharia de autocura, aprendizado, evolução, comunicação e auto-organização. Sentimos que é um terreno muito fértil para pesquisas futuras com aplicações potenciais específicas em biomedicina e monitoramento ambiental ”, disse Rogers, professor de ciência e engenharia de materiais, engenharia biomédica e cirurgia neurológica na Northwestern University e diretor do Instituto Querrey Simpson de Bioeletrônica.

Para dar aos biobots a liberdade de movimento necessária para aplicações práticas, os pesquisadores decidiram eliminar baterias volumosas e fios de amarração. Os eBiobots usam uma bobina receptora para colher energia e fornecer uma tensão de saída regulada para alimentar os micro-LEDs, disse o co-primeiro autor Zhengwei Li, professor assistente de engenharia biomédica da Universidade de Houston.

Os pesquisadores podem enviar um sinal sem fio para os eBiobots que faz os LEDs pulsarem. Os LEDs estimulam a contração do músculo projetado sensível à luz, movendo as pernas de polímero para que as máquinas “andem”. Os micro-LEDs são tão direcionados que podem ativar porções específicas do músculo, fazendo com que o eBiobot gire na direção desejada.

Os pesquisadores usaram modelagem computacional para otimizar o design do eBiobot e a integração de componentes para robustez, velocidade e capacidade de manobra. O professor de ciências mecânicas e engenharia de Illinois, Mattia Gazzola, liderou a simulação e o design dos eBiobots. O design iterativo e a impressão 3D aditiva dos andaimes permitiram ciclos rápidos de experimentos e melhoria de desempenho, disseram Gazzola e o co-autor Xiaotian Zhang, pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Gazzola.

O projeto permite uma possível integração futura de microeletrônica adicional, como sensores químicos e biológicos, ou peças de andaimes impressas em 3D para funções como empurrar ou transportar coisas que os biobots encontram, disse o co-primeiro autor Youngdeok Kim, que completou o trabalho como um estudante de pós-graduação em Illinois.

A integração de sensores eletrônicos ou neurônios biológicos permitiria que os eBiobots detectassem e respondessem a toxinas no ambiente, biomarcadores de doenças e mais possibilidades, disseram os pesquisadores.

“Ao desenvolver o primeiro robô bioeletrônico híbrido, estamos abrindo as portas para um novo paradigma de aplicações para inovação em cuidados com a saúde, como biópsias e análises in-situ, cirurgia minimamente invasiva ou até mesmo detecção de câncer no corpo humano”, disse Li disse.