Notícia

Com microeletrônica, pesquisadores podem controlar remotamente robôs biológicos

Yongdeok Kim, Universidade de Illinois

Fonte

Universidade de Illinois em Urbana Champaign

Data

sexta-feira, 27 janeiro 2023 14:20

Áreas

Bioeletrônica. Bioengenharia. Biologia. Biomedicina. Ciência dos Materiais. Engenharia Biológica. Engenharia Biomédica. Impressão 3D. Robótica. Sistemas de Controle.

Primeiro, eles apenas se deslocavam. Depois, foram acionados por luz. Agora, os robôs biológicos em miniatura ganharam um novo recurso: o controle remoto.

Os ‘eBiobots’ híbridos são os primeiros a combinar materiais macios, músculos vivos e microeletrônica, disseram pesquisadores da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, Universidade Northwestern e instituições colaboradoras. Eles descreveram as máquinas biológicas em escala de centímetros na revista Science Robotics.

“Integrar a microeletrônica permite a fusão do mundo biológico e do mundo da eletrônica, ambos com muitas vantagens próprias, para agora produzir esses biorrobôs eletrônicos e máquinas que podem ser úteis para muitas aplicações médicas, de detecção e ambientais no futuro”, disse o Dr. Rashid Bashir, um dos líderes do estudo e professor de Bioengenharia da Universidade de Illinois.

O grupo do professor Bashir foi pioneiro no desenvolvimento de biobots, pequenos robôs biológicos alimentados por tecido muscular de camundongos cultivados em um esqueleto de polímero macio impresso em 3D. Eles demonstraram biobots que conseguiam se mover em 2012 e biobots ativados por luz em 2016. A ativação por luz deu aos pesquisadores algum controle, mas as aplicações práticas foram limitadas pela questão de como entregar os pulsos de luz aos biobots fora de um ambiente de laboratório.

A resposta a essa pergunta veio do Dr. John A. Rogers, professor da Universidade Northwestern, pioneiro em bioeletrônica flexível, cuja equipe ajudou a integrar minúsculos microeletrônicos sem fio e micro-LEDs sem bateria. Isso permitiu que os pesquisadores controlassem remotamente os eBiobots.

“Esta combinação incomum de tecnologia e biologia abre vastas oportunidades na criação de sistemas de engenharia de autocura, aprendizado, evolução, comunicação e auto-organização. Sentimos que é um terreno muito fértil para pesquisas futuras com potenciais aplicações específicas em biomedicina e monitoramento ambiental”, disse o Dr. Rogers, professor de Ciência e Engenharia de Materiais, Engenharia Biomédica e Cirurgia Neurológica na Universidade Northwestern e diretor do Instituto Querrey Simpson de Bioeletrônica.

Para dar aos biobots a liberdade de movimento necessária para aplicações práticas, os pesquisadores decidiram eliminar baterias volumosas e fios. Os eBiobots usam uma bobina receptora para colher energia e fornecer uma tensão de saída regulada para alimentar os micro-LEDs, disse o Dr. Zhengwei Li, co-primeiro autor do estudo e professor assistente de Engenharia Biomédica da Universidade de Houston, nos Estados Unidos.

Os pesquisadores podem enviar um sinal sem fio para os eBiobots que faz os LEDs pulsarem. Os LEDs estimulam a contração do músculo projetado sensível à luz, movendo as pernas de polímero para que as máquinas “andem”. Os micro-LEDs são tão direcionados que podem ativar porções específicas do músculo, fazendo com que o eBiobot gire na direção desejada.

Os pesquisadores usaram modelagem computacional para otimizar o design do eBiobot e a integração de componentes para robustez, velocidade e capacidade de manobra. O Dr. Mattia Gazzola, professor de Ciências Mecânicas e Engenharia de Illinois, liderou a simulação e o design dos eBiobots. O design iterativo e a impressão 3D aditiva dos scaffolds permitiram ciclos rápidos de experimentos e melhoria de desempenho, disseram o professor Gazzola e o co-autor Dr. Xiaotian Zhang, pesquisador de pós-doutorado no laboratório do professor Gazzola.

O projeto permite uma possível integração futura de microeletrônica adicional, como sensores químicos e biológicos, ou scaffolds impressos em 3D para funções como empurrar ou transportar coisas que os biobots encontram, disse o Dr. Yongdeok Kim, que completou o trabalho como doutorando em Illinois.

A integração de sensores eletrônicos ou neurônios biológicos permitiria que os eBiobots detectassem e respondessem a toxinas no ambiente, biomarcadores de doenças e mais possibilidades, disseram os pesquisadores.

“Ao desenvolver o primeiro robô bioeletrônico híbrido, estamos abrindo as portas para um novo paradigma de aplicações para inovação em saúde, como biópsias e análises in-situ, cirurgia minimamente invasiva ou até mesmo detecção de câncer no corpo humano”, completou o Dr. Zhengwei Li.

Acesse o resumo do artigo científico (em inglês).

Acesse a notícia completa na página da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign (em inglês).

Fonte: Liz Ahlberg Touchstone, Universidade de Illinois em Urbana-Champaign. Imagem: os eBiobots são as primeiras máquinas bio-híbridas sem fio, combinando tecido biológico, microeletrônica e polímeros macios impressos em 3D. Fonte: Yongdeok Kim, Universidade de Illinois.

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