Billede: Jesper Glückstad

Laserstyrede mikrorobotter udforsker celler

fredag 16 sep 16

Optorobotix

OptoRobotix ApS er en spinout-virksomhed fra forskergruppen Programmable Phase Optics ved DTU Fotonik. Virksomheden blev etableret i 2011.

Mikroskopisk godstransport

Mikrorobotten kan bruges til at transportere stoffer, ved at den ’optager’ stoffet (forskergruppen brugte i deres forsøg små siliciumog polystyrenkugler), hvorefter robotten kan styres til et nyt sted, hvor den afleverer sit fragtgods. Mikrorobotterne er forsynet med to huller; et lille hul med en diameter på 6 μm i mikrorobottens spidse ende bruges til at føre materiale ind og ud af mikrorobotten, og et lidt større hul foroven på mikrorobotten med en diameter på 8 μm bruges til at regulere, hvordan dette sker.
En helt ny generation af mikrorobotter kan optage, flytte og aflevere væsker og partikler. Det baner vejen for nye måder at udforske og manipulere med celler.

Light Robotics kalder forskergruppen fra DTU Fotonik sin nye generation af laserstyrede mikrorobotter. Light som i betydningen lille og let, men også i betydningen lys. Det er nemlig laserlys, der er den gennemgående ingrediens i den nye teknologi – lige fra den avancerede 3D-laserprintning af mikrorobotterne over at gøre dem i stand til at løse forskellige opgaver til den efterfølgende navigering af robotterne.

Robotterne måler kun 40 x 40 mikrometer og kan udstyres med forskellige funktionaliteter, der gør dem i stand til at løse en række varierende opgaver, f.eks. i forbindelse med udforskning af celler. De kan optage, flytte og aflevere mikroskopisk gods som væsker og partikler. Det sker ved, at en mikrorobot udstyres med en stilklignende sonde, der kan 3D-printes ned til 25 nanometer.

Kan udforske levende celler

Tidligere generationer af mikrorobotter har bl.a. været udstyret med et lille stykke optisk fiber, der egenhændigt kan guide laserlys, som kan bruges til f.eks. at skære hul eller at hele et meget lille snit i en cellemembran.

Brugen af laserlys til at styre robotternes funktioner betyder, at de p.t. bedst bruges uden for levende organismer. Dvs. at mikrorobotterne på nuværende tidspunkt ikke er direkte egnet til at injicere i et menneske med f.eks. drug delivery for øje. Men potentialet for robotternes anvendelse uden for menneskekroppen er allerede stor, vurderer professor Jesper Glückstad, som står i spidsen for den forskergruppe, der har opfundet og udviklet den mikroskopiske teknologi:

”Vores laserstyrede mikrorobotter kan blive det nye værktøj, som gør det muligt at forstå biologi helt ned i nanoskala. Som frit flydende droner kan de overvåge processer i levende celler med en hidtil uhørt præcision. De kan levere målrettede stimuli – kemiske, mekaniske og optiske – til cellerne, og det kan medvirke til at udvide vores forståelse af cellers opførsel i deres naturlige 3D-miljø. F.eks. kan de blive et nyttigt redskab i forbindelse med udforskning af stamceller eller såkaldte cirkulerende tumorceller, som er de celler, der spreder en cancer via blodbanen hos en kræftpatient.”

Billede: Jesper Glückstad

Skal udstyres med kunstig intelligens

Forskergruppen fortsætter udviklingen af robotterne, bl.a. ved at udstyre dem med nye funktioner. Håbet er også at kunne koble kunstig intelligens til robotterne, så de kan arbejde sammen i en mindre sværm, fortæller Jesper Glückstad. Han uddyber:

”Fremtidsvisionen er at kunne anvende robotterne samtidig og i et samspil med forskellige nano- og mikrofunktionaliteter. De vil kunne sættes ind i en mindre sværm, hvor den enkelte robot er specialiseret til at løse en enkelt opgave, f.eks. at åbne et nanoskopisk hul i en cellemembran, aflevere et medikament eller lukke cellemembranen igen. Tilsammen vil den lille sværm af computerstyrede mikrorobotter være et toptrimmet medicinsk team i mikroskopisk størrelse med celler på operationsbordet i fuld 3D.”

Fotonikforskerne har kombineret viden og teknologier fra de tre videnskabelige felter fotonik, nanoteknologi og bioteknologi i udviklingen af de nye 3D-printede mikrorobotter. Teknologien skal kommercialiseres af virksomheden OptoRobotix, som er en spinout- virksomhed fra forskergruppen bag mikrorobotterne.

Opfindelsen af den seneste generation af mikrorobotterne og præsentation af deres nyeste funktionaliteter blev offentliggjort i Nature-tidsskriftet ’Light: Science & Applications’ (LSA) i maj 2016.

Mikroskopisk godstransport

Billede:Jesper Glückstad


1 Robotten lastes

Bunden af mikrorobottens indre er belagt med et lag af titan på en nanometer og dernæst et lag af guld på fem nanometer. Ved at sende en laserstråle igennem et hul på toppen af robotkroppen opvarmes metallerne, og der opstår en mikroboble inden i kroppen som følge af opvarmningen. Samtidig udvikles der varmestrømme i robottens indre (konvektionsstrømme), der er stærke nok til at trække en partikel uden for robotten hen til dens snabellignende sonde og videre ind i robottens indre. Partiklen hæfter sig til mikroboblen på grund af overfladespændingen.

2 Styring af robotten

Med sin last kan robotten dirigeres til et nyt sted. Ved at sende laserstråler ind på en eller flere af de fire styrekugler er det muligt at flytte rundt på robotten og samtidig styre den i alle tre dimensioner.

3 Robotten aflæsses

Når robotten når frem til sit bestemmelsessted, kan den aflæsse sit fragtgods. Det sker ved at bevæge laserstrålen rundt på robottens krop. Det forstyrrer mikroboblen, der begynder at pumpe væsker sammen med partiklen ud af robottens indre.