Artikel top billede

(Foto: Computerworld)

Denne minirobot skal svømme ind i kroppen med medicin

Kinesiske forskere har benyttet en fisks indre svømmehemmeligheder til at skabe en mikrorobot, der kan levere medicin inde i menneskekroppen.

Af Palle Vibe, Alt om Data

Denne artikel er oprindeligt bragt på Alt om Data. Computerworld overtog i november 2022 Alt om Data. Du kan læse mere om overtagelsen her.

Stort set enhver sædcelle i dyreriget består af et hoved fyldt med arvemateriale og en lille svingende hale, der pisker den lille DNA-pakke frem mod ægcellen. Både dens manøvredygtighed og hastighed er dog begrænset, og støder den mod en forhindring, vil den som oftest sidde fast uden at kunne komme videre. Men nu har et hold kinesiske forskere fundet frem til, at netop rokkefiskens sædceller har et særligt trick.

De bruger såvel hovedet som halen til fremdrift. Denne sære flade fisk, der er et glubsk rovdyr, og nærmest ligner et svømmende tæppe, har nemlig sædceller, der i modsætning til stort set alle andre i dyreriget ikke bare har en hale, som kan bevæge sig meget varieret, men også et aflangt og spiralformet hoved, der kan rotere som en skibsskrue.

Det kan udnyttes på en overraskende måde, har det kinesiske forskerhold fundet ud af. Teamet fra City University of Hong Kong ledes af Shen Yajing Shi Jiahai fra Department of Biomedical Engineering (BME) i samarbejde med Shi Jiahai fra Department of Biomedical Sciences (BMS).

Fantastiske svømmeevner

Men lad os først koncentrere os om rokkefisk-sædcellernes særlige måde ar fungere på. De har på en måde en form for firhjulstræk. Under kraftigt mikroskop er det tydeligt, at rokkens sædceller godt nok også består af et hoved med arvemateriale og en piskende hale. Men ud over det spiralsnoede hoved har sædcellen i midten en fleksibel sektion, der gør det muligt for det spiralformede hoved at vride og sno sig uafhængigt af halen.

Ved almindelig svømning roterer hoved og hale i samme retning om end med forskellig hastighed og styrke, og derfor døbte forskerne denne bevægelsesmetode HDH, der er en forkortelse for ”heterogeneous dual helixes propulsion”, dvs. fremdrift ved forskelligartede dobbeltspiral-mønstre.

Antistoffer mod covid-19

Egentlig var det ikke forskernes hensigt at studere rokkesædcellernes måde at bevæge sig på specifikt. Det opdagede de kinesiske videnskabsfolk ved et rent tilfælde. De var i færd med at forsøge at finde frem til en metode til kunstig befrugtning af bruskfisk, der holdes i fangenskab. Bruskfisk har et skelet, der hovedsageligt består af brusk, og til denne type fisk hører eksempelvis hajer og rokker.

Men bruskfisk har også det særkende, at de er i stand til at producere antistoffer mod en lang række mennesketruende sygdomme inklusive covid-19. Derfor er det interessant at kunne holde dem i fangenskab og befrugte dem kunstigt. Det var som led i disse eksperimenter, at forskerne opdagede, at rokkens sædceller var bygget anderledes end de fleste andre fisks.

Dette princip gør det muligt for hele sædcellen at vinkle sig skarpere og på den måde være i stand til at vende og dreje sig fleksibelt som en leddelt dobbeltbus. Du kan også sammenligne med en færge, der både har bagpropeller og bovpropeller for at lette indsejlingen i færgehavnen.

Rokkefiskens sædcelle bruger både hoved og hale til at trække sig omkring og rundt om hjørner og forhindringer. Da både halen og hovedet bidrager til fremdriften for rokkesædcellens vedkommende, fremkalder vinklen mellem de to celledele en sidelæns kraft, der også hjælper sædcellen med at skifte kurs. Takket være denne særlige opbygning og udformning kan sædcellen dreje og undvige aktivt.

Kan også bruge bakgear

Møder sædcellen en uoverstigelig forhindring, kan den ydermere ”bakke væk” ved simpelthen blot at rotere hovedet i modsat retning, hvilket ingen andre kendte sædceller er i stand til.

Det gør alt sammen, at sædcellen ikke bare kan svømme hurtigere og mere effektivt, men at den også er i stand til at tilpasse sig forskellige væskemiljøer ved skiftevis at bruge enten halen eller hovedet eller begge dele til fremdrift under svømningen frem mod ægcellen. På den måde kan rokkefiskens sædceller bevæge sig hurtigt og smidigt gennem væske af forskellig træghed.

Gennem omhyggelige studier og forsøg fandt forskerne frem til, at sædcellens hoved generelt står for 31 procent af fremdriften. Samtidig kunne de også konstatere, at mens de fleste andre dyrs sædcellers svømmehastighed reduceres med 40 procent i mere tyktflydende væsker, bliver rokkefiskens sædceller kun 26 procent langsommere.

Medicin inde i kroppen

Nogle af de involverede videnskabsfolk er imidlertid ikke havbiologer, men beskæftiger sig med robotteknologi, og de så straks potentialet i rokkefiskens metode til at udvikle og designe små svømmende mikrorobotter til brug for vanskelige ingeniørmæssige opgaver på svært tilgængelige steder såsom smalle væskerør, men især til biomedicinske formål inde i selve menneskekroppen.

Man kunne bygge en robot, som kan klare sig i et yderst varieret og kraftigt udfordrende miljø i de forskellige blodårer og lymfebaner. Prototypen af den lille robot er nu færdig, og den er 6-7 cm lang og altså ikke større, end at den sagtens kan ligge på en flad hånd. Robotten har en slags proptrækker af en tynd metaltråd foran, der skal gøre det ud for forbilledets spiralformede hoved, samt en lang viftende hale af blød bomuldstråd.

Tung træning
En væskes viskositet – træghed – har stor betydning for minirobottens fremdrift. Viskositeten måles i mPa·s (millipascal pr. sekund). Vands træghed er 1 mPa·s, olivenolies er på omkring 100 mPa·s, mens motorolie ligger på cirka 750 mPa·s. Her testes to typer af minirobotten i henholdsvis 200 og 800 mPa·s.

Hoved og hale drives af hver sin elektriske motor, der er placeret i en leddelt sektion i midten med plads til et lille batteri. Prototypen strømforsynes dog via en ledning. Robotten er med et energiforbrug på blot 0,05 W mere energirigtig end nogen andre svømmende robotter, når det gælder svømning i væsker af forskellig træghed.

Så selv om projektets egentlig formål ikke var at udvikle små medicindoserende robotter, er forskningen gennem dette projekt kommet et stort skridt fremad ved opdagelsen af, hvordan små levende væsner kan bevæge sig og svømme, når det foregår bedst.

Det er håbet og forventningen, at det kan føre til masseproduktion af små robotter efter samme konstruktion, enheder, der er så diminutive – og betydelig mindre end prototypen – at de kan svømme inde i menneskekroppen gennem blodårerne og afgive medicin alle de steder, hvor det kræves.