في عام 1959، تخيل الفيزيائي النظري الشهير ريتشارد فاينمان مستقبلاً تسبح فيه الروبوتات الدقيقة في مجرى دمنا، فتعمل على إصلاح أمعائنا أو توصيل الأدوية إلينا أثناء سيرها.
وبعد مرور خمسة وستين عامًا، أصبح العلماء يقتربون من هذا الواقع.
نجح المهندسون في جامعة طوكيو في إيجاد طريقة لتشغيل هياكل مجهرية صغيرة الحجم بمحركات دون الحاجة إلى مصدر طاقة خارجي.
الحل؟ فريق من الكائنات الحية وحيدة الخلية تتحرك بحرية وترتبط بعربة مثل الخيول الصغيرة.
مركبة “سكوتر” يتم توجيهها بواسطة نوعين من الطحالب وحيدة الخلية. (مجموعة شوجي تاكيوتشي البحثية في جامعة طوكيو)
لم يكن البحث مجرد سعي وراء الجمال، على الرغم من أنه يبدو جذابًا تمامًا كما يبدو. إحدى المشكلات المتعلقة بـ “الروبوتات الدقيقة” المصممة حتى الآن هي أن السوائل مثل الدم، نظرًا لصغر حجمها، يمكن أن تأخذ لزوجة دبس السكر.
وهذا يجعل من الصعب على الروبوت التحرك، ولهذا السبب يحاول العلماء منذ سنوات إنشاء محركات صغيرة قوية بما يكفي لدفع مثل هذه الهياكل بسهولة أكبر.
من خلال استغلال قدرة السباحة السريعة للطحالب الخضراء Chlamydomonas reinhardtii، توصل المهندسون في اليابان إلى حل فريد من نوعه.
يبلغ عرض كل خلية من خلايا C. reinhardtii 10 ميكرومتر فقط، وهو ثلث حجم قاطرة Benchy – أصغر سفينة في العالم، تم طباعتها ثلاثية الأبعاد في عام 2020.
ومع ذلك، فإنهم معًا يستطيعون سحب آلات أكبر بخمس مرات من حجمهم الفردي – “مما يفتح عالمًا جديدًا تمامًا من الاحتمالات لتطوير الآلات الدقيقة المعقدة”، كما يقول مصممو الآلة.
وتتمتع الطحالب، التي تعتبر آمنة للاستهلاك البشري، بالطاقة من خلال سوطين، يدفعان كل وحدة إلى الأمام بطريقة مماثلة لسباحة الصدر.
تقع الخلية داخل سلة تشبه اللجام مصممة خصيصًا، وتبرز أسواطها من الأمام، مما يسمح لها بسحب بقية المركبة خلفها أثناء تجديفها.
السلة التي تشبه القفص والمصممة لاحتجاز الطحالب وحيدة الخلية، مع توفير مساحة كافية لتحرك أسواطها. (مجموعة شوجي تاكيوتشي البحثية في جامعة طوكيو)
على عكس المحركات الدقيقة الأخرى التي صممها العلماء – والتي تعتمد غالبًا على مصادر طاقة خارجية مثل المجالات المغناطيسية أو الكهربائية – يمكن للمحركات الحية مثل C. reinhardtii التحرك بشكل مستقل.
قام المؤلف الرئيسي هاروكا أودا وزملاؤه بتصميم مركبتين بلاستيكيتين مختلفتين مطبوعتين بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد لتوجيه الطحالب، ويبلغ عرض كل منهما ما بين 50 إلى 60 ميكرونًا. ولوضع ذلك في المنظور الصحيح، يبلغ سمك شعرة الإنسان المتوسطة حوالي 100 ميكرون.
تُسمى إحدى الآلات الدقيقة “سكوتر”، وهي مزودة بسلتين لاصطياد خليتين من الطحالب، وكلتاهما في نفس الاتجاه ومتصلتان بـ “عربة” في الخلف.
بدون أي مطالبة، تتخذ C. reinhardtii مواقعها في كل قمرة قيادة.
فوجئ الباحثون عندما وجدوا أن السكوتر لم يتحرك بشكل مستقيم، حتى عندما كانت كل سلة مشغولة. بل كان يدور ويدور بطرق معقدة. حتى أنه قام بـ 15 قفزة خلفية و10 حركات تدحرج.
الهيكلان المصممان ليتم “توجيههما” بواسطة الطحالب وحيدة الخلية. سكوتر (على اليسار) ودوار (على اليمين). (مجموعة شوجي تاكيوتشي للأبحاث في جامعة طوكيو)
كان الشكل الآخر للمركبة، والذي أطلق عليه اسم “روتاتور”، يتحرك بسلاسة أكبر. وقد صُمم بأربعة سلال، كلها موجهة في نفس الاتجاه ومتصلة عبر أسلاك في شكل يشبه العجلة.
مع وجود خلية طحلبية واحدة تشغل كل واحدة من السلال الأربع، “يدور” الهيكل بسرعة متوسطة تبلغ 20 إلى 40 ميكرومترًا في الثانية، مثل ركوب الخيل في كرنفال مجهري.
المركبة الدوارة الصغيرة، التي يتم توجيهها بواسطة أربعة طحالب وحيدة الخلية. (مجموعة شوجي تاكيوتشي البحثية في جامعة طوكيو)
يمكن لـ C. reinhardtii الوصول إلى سرعات تصل إلى 100 ميكرومتر في الثانية عندما لا تكون معرضة لأي عوائق، لذلك يحاول الباحثون الآن معرفة ما إذا كان بإمكانهم جعل هذه الآلات الدقيقة تتحرك بشكل أسرع وبمزيد من الدقة.
يبلغ حجم “روتاتور” 56 ميكرومترًا فقط، وهو أكبر بخمس مرات من مركبة صغيرة أخرى تم تصميمها مسبقًا وتم تصنيعها في عام 2017 لتعمل بالبكتيريا ذاتية الدفع. ومع ذلك، على عكس الطحالب، كان لابد من التحكم في سرعة هذه البكتيريا بواسطة معدل ضوء خاص.
يقول شوجي تاكيوتشي، الذي أشرف على المشروع: “إن الأساليب التي تم تطويرها هنا ليست مفيدة فقط لتصور الحركات الفردية للطحالب، ولكن أيضًا لتطوير أداة يمكنها تحليل تحركاتها المنسقة في ظل ظروف مقيدة”.
“تتمتع هذه الأساليب بالقدرة على التطور في المستقبل إلى تقنية يمكن استخدامها لمراقبة البيئة في البيئات المائية، ونقل المواد باستخدام الكائنات الحية الدقيقة، مثل نقل الملوثات أو العناصر الغذائية في الماء.”
وفي يوم من الأيام، قد تؤدي هذه الخطوط البحثية إلى تحقيق حلم فاينمان في تطوير روبوت صغير قادر على توصيل “حمولة صغيرة”، مثل الدواء، في بيئة سائلة، مثل الدم، مدعومًا بالحياة نفسها.
ونشرت الدراسة في مجلة Small.
