Des robots moléculaires qui travaillent en coopération en essaims

Les robots moléculaires travaillent en coopération en essaims

Illustrations schématiques du transport de marchandises par un essaim de robots moléculaires (en haut) et images de fluorescence d’un robot moléculaire transportant une cargaison bleue en forme de sphère (en bas). La barre d’échelle est de 20 micromètres. En spécifiant la position de l’irradiation lumineuse, il est possible d’accumuler la cargaison à la destination désignée (à droite). La barre d’échelle est de 50 micromètres. Crédit : Mousumi Akter, et al

Dans une première mondiale, les scientifiques ont démontré que les robots moléculaires sont capables d’effectuer la livraison de marchandises en utilisant une stratégie d’essaimage, atteignant une efficacité de transport cinq fois supérieure à celle des robots simples.

La robotique en essaim est une nouvelle discipline, inspirée du comportement coopératif des organismes vivants, qui se concentre sur la fabrication de robots et leur utilisation en essaim pour accomplir des tâches complexes. Un essaim est un comportement collectif ordonné de plusieurs individus. Des robots en essaim à grande échelle ont été développés et utilisés pour une variété d’applications, telles que le transport et l’accumulation de marchandises, la formation de formes et la construction de structures complexes.

Une équipe de chercheurs, dirigée par le Dr Mousumi Akter et le professeur agrégé Akira Kakugo de la Faculté des sciences de l’Université d’Hokkaido, a réussi à développer les premières micro-machines fonctionnelles au monde utilisant les avantages de l’essaimage. Les résultats ont été publiés dans la revue Robotique scientifique. L’équipe comprenait le professeur adjoint Daisuke Inoue, de l’Université de Kyushu ; Professeur Henry Hess, Université Columbia; Professeur Hiroyuki Asanuma, Université de Nagoya ; et le professeur Akinori Kuzuya, Université du Kansai.

Un essaim de robots coopérants acquiert un certain nombre de caractéristiques qui ne se retrouvent pas dans les robots individuels : ils peuvent diviser une charge de travail, réagir aux risques et même créer des structures complexes en réponse aux changements de l’environnement. Les microrobots et les machines à l’échelle micro et nano ont très peu d’applications pratiques en raison de leur taille ; s’ils pouvaient coopérer en essaims, leurs utilisations potentielles augmenteraient massivement.







Différents diamètres de chargement et de transport de fret par des transporteurs simples (en haut) et en essaim (en bas). Barre d’échelle : 20 µm. Le diamètre de la cargaison (d) est mentionné en haut à gauche de chaque film. Ici, les essaims pouvaient charger et transporter des cargaisons d’un diamètre allant jusqu’à 20,0 µm, alors que les transporteurs individuels ne pouvaient pas charger et transporter des cargaisons d’un diamètre supérieur à 3,4 µm. Le film est joué à 100 fois la vitesse de l’original (Mousumi Akter, et al. Science Robotics. 20 avril 2022). Crédit : Mousumi Akter, et al. Robotique scientifique. 20 avril 2022

L’équipe a construit environ cinq millions de machines moléculaires uniques. Ces machines étaient composées de deux composants biologiques : des microtubules liés à l’ADN, qui leur permettaient de pulluler ; et la kinésine, qui étaient des actionneurs capables de transporter les microtubules. L’ADN a été combiné avec un composé sensible à la lumière appelé azobenzène qui a fonctionné comme un capteur, permettant de contrôler l’essaimage. Lorsqu’il est exposé à la lumière visible, des changements dans la structure de l’azobenzène ont provoqué la formation de doubles brins d’ADN et ont conduit les microtubules à former des essaims. L’exposition à la lumière UV a inversé ce processus.







Réalisation de tâches coopératives par des transporteurs d’essaims en chargeant et en transportant des marchandises sur une longue distance. Barre d’échelle : 20 µm. Ici, la cargaison chargée en essaim a parcouru une distance totale de 1 mm sans tomber sous irradiation VIS. Le film est joué à 100 fois la vitesse de l’original (Mousumi Akter, et al. Science Robotics. 20 avril 2022). Crédit : Mousumi Akter, et al. Robotique scientifique. 20 avril 2022

La cargaison utilisée dans les expériences consistait en des billes de polystyrène de diamètres allant de micromètres à des dizaines de micromètres. Ces billes ont été traitées avec de l’ADN lié à l’azobenzène ; ainsi, la cargaison était chargée lorsqu’elle était exposée à la lumière visible et déchargée lorsqu’elle était exposée à la lumière UV. Cependant, l’ADN et l’azobenzène utilisés dans les machines moléculaires et la cargaison étaient différents, de sorte que l’essaimage pouvait être contrôlé indépendamment du chargement de la cargaison.







Déchargement de la cargaison du groupe de transporteurs sous irradiation UV. Barre d’échelle : 20 µm. Ici, on a observé que la dissociation du transporteur d’essaim en microtubules simples et le déchargement de la cargaison des transporteurs se produisaient simultanément. Les cargaisons déchargées sont restées immobiles et n’ont plus été transportées sous irradiation aux rayons ultraviolets. Le film est lu à 100 fois la vitesse de l’original. Crédit : Mousumi Akter, et al. Robotique scientifique. 20 avril 2022

Des machines simples sont capables de charger et de transporter des billes de polystyrène jusqu’à 3 micromètres de diamètre, tandis que des essaims de machines pourraient transporter des cargaisons atteignant 30 micromètres de diamètre. De plus, une comparaison de la distance de transport et du volume de transport a montré que les essaims étaient jusqu’à cinq fois plus efficaces au transport par rapport aux machines individuelles.

En démontrant que les machines moléculaires peuvent être conçues pour essaimer et coopérer pour transporter des marchandises avec une grande efficacité, cette étude a jeté les bases de l’application des microrobots à divers domaines. “Dans un avenir proche, nous nous attendons à voir des essaims de microrobots utilisés dans l’administration de médicaments, la collecte de contaminants, les dispositifs de génération d’énergie moléculaire et les dispositifs de micro-détection”, explique Akira Kakugo.


Des scientifiques travaillent à faire en sorte que des robots de la taille d’une molécule essaiment ensemble pour effectuer des tâches


Plus d’information:
M. Akter et al, Transport de fret coopératif par un essaim de machines moléculaires, Robotique scientifique (2022). DOI : 10.1126/scirobotics.abm0677. www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abm0677

Fourni par l’Université d’Hokkaido

Citation: Robots moléculaires qui travaillent en coopération dans les essaims (20 avril 2022) récupéré le 20 avril 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-04-molecular-robots-cooperatively-swarms.html

Ce document est soumis au droit d’auteur. En dehors de toute utilisation loyale à des fins d’étude ou de recherche privée, aucune partie ne peut être reproduite sans l’autorisation écrite. Le contenu est fourni seulement pour information.