La microélectronique donne aux chercheurs une télécommande pour les robots biologiques

D’abord, ils ont marché. Puis, ils ont vu la lumière. Désormais, les robots biologiques miniatures ont acquis une nouvelle astuce : la télécommande.

Les “eBiobots” hybrides sont les premiers à combiner des matériaux mous, des muscles vivants et de la microélectronique, ont déclaré des chercheurs de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign, de la Northwestern University et d’institutions collaboratrices. Ils ont décrit leurs machines biologiques à l’échelle centimétrique dans la revue Robotique scientifique.

“L’intégration de la microélectronique permet la fusion du monde biologique et du monde électronique, tous deux avec de nombreux avantages qui leur sont propres, pour produire maintenant ces biobots et machines électroniques qui pourraient être utiles pour de nombreuses applications médicales, de détection et environnementales à l’avenir”, a déclaré l’étude. co-leader Rashid Bashir, professeur de bio-ingénierie dans l’Illinois et doyen du Grainger College of Engineering.

Le groupe de Bashir a été le pionnier du développement de biobots, de petits robots biologiques alimentés par du tissu musculaire de souris cultivé sur un squelette de polymère souple imprimé en 3D. Ils ont fait la démonstration de biobots ambulants en 2012 et de biobots activés par la lumière en 2016. L’activation de la lumière a donné aux chercheurs un certain contrôle, mais les applications pratiques étaient limitées par la question de savoir comment transmettre les impulsions lumineuses aux biobots en dehors d’un laboratoire.

La réponse à cette question est venue de John A. Rogers, professeur à l’Université Northwestern, un pionnier de la bioélectronique flexible, dont l’équipe a aidé à intégrer de minuscules microélectroniques sans fil et des micro-LED sans batterie. Cela a permis aux chercheurs de contrôler à distance les eBiobots.

“Cette combinaison inhabituelle de technologie et de biologie ouvre de vastes opportunités dans la création de systèmes d’ingénierie d’auto-guérison, d’apprentissage, d’évolution, de communication et d’auto-organisation. Nous pensons que c’est un terrain très fertile pour la recherche future avec des applications potentielles spécifiques en biomédecine et surveillance de l’environnement “, a déclaré Rogers, professeur de science et d’ingénierie des matériaux, d’ingénierie biomédicale et de chirurgie neurologique à l’Université Northwestern et directeur du Querrey Simpson Institute for Bioelectronics.

Pour donner aux biobots la liberté de mouvement requise pour les applications pratiques, les chercheurs ont décidé d’éliminer les batteries encombrantes et les fils d’attache. Les eBiobots utilisent une bobine réceptrice pour récolter de l’énergie et fournir une tension de sortie régulée pour alimenter les micro-LED, a déclaré le co-premier auteur Zhengwei Li, professeur adjoint de génie biomédical à l’Université de Houston.

Les chercheurs peuvent envoyer un signal sans fil aux eBiobots qui incite les LED à pulser. Les LED stimulent la contraction du muscle sensible à la lumière, déplaçant les jambes en polymère pour que les machines « marchent ». Les micro-LED sont si ciblées qu’elles peuvent activer des parties spécifiques du muscle, faisant tourner l’eBiobot dans la direction souhaitée.

Les chercheurs ont utilisé la modélisation informatique pour optimiser la conception de l’eBiobot et l’intégration des composants pour la robustesse, la vitesse et la maniabilité. Le professeur de sciences mécaniques et d’ingénierie de l’Illinois, Mattia Gazzola, a dirigé la simulation et la conception des eBiobots. La conception itérative et l’impression 3D additive des échafaudages ont permis des cycles rapides d’expériences et d’amélioration des performances, ont déclaré Gazzola et le co-premier auteur Xiaotian Zhang, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Gazzola.

La conception permet une éventuelle intégration future de microélectronique supplémentaire, telle que des capteurs chimiques et biologiques, ou des pièces d’échafaudage imprimées en 3D pour des fonctions telles que pousser ou transporter des objets rencontrés par les biobots, a déclaré le co-premier auteur Youngdeok Kim, qui a terminé le travail en tant que étudiant diplômé à l’Illinois.

L’intégration de capteurs électroniques ou de neurones biologiques permettrait aux eBiobots de détecter et de répondre aux toxines dans l’environnement, aux biomarqueurs de maladies et à davantage de possibilités, ont déclaré les chercheurs.

« En développant un tout premier robot bioélectronique hybride, nous ouvrons la porte à un nouveau paradigme d’applications pour l’innovation en matière de soins de santé, telles que les biopsies et l’analyse in situ, la chirurgie minimale invasive ou même la détection du cancer dans le corps humain », Li m’a dit.