یک گروه از دانشمندان آمریکایی و چینی از اتفاق فروپاشی حباب برای تامین نیروی مورد نیاز ربات‌های کوچک و جانشین سوزن‌های پزشکی منفعت گیری کردند. آنها روش جدیدی را ابداع کردند که از ترکیدن حباب به گفتن یک سامانه پیشران برای ریزربات‌ها منفعت گیری می‌کند. احتمالا بتوان این فناوری را جانشین راه حلهای تزریق دارو با سوزن و کاربردهای دیگر کرد.

به نقل از آی‌ای، اتفاق «حفره‌زایی»(cavitation) یا فروپاشی ناگهانی حباب‌ها در مایع که در آن افت سختی علتتبخیر موضعی مایع و تشکیل حباب‌ می‌شود، در مرکز این روش تازه قرار دارد. این گروه پژوهشی با منفعت گیری از انرژی آزادشده از این اتفاق دریافتند که می‌توان ربات‌های کوچک موسوم به «جامپرها» (jumpers) را به مسافت‌های بسیاری نسبت به اندازه خودشان حرکت داد. آنها با الهام از نحوه پراکنده شدن هاگ‌های سرخس و پرتاب فواره‌ای مایع توسط «ماهی تیرانداز» (Archerfish) دریافتند که می‌توانند حباب‌های خود را به پشتیبانی لیزر و با گرم کردن ماده‌ای که نور را جذب می‌کند، تشکیل کنند.

این حباب‌ها آن قدر منبسط خواهد شد تا دیگر نتوانند انرژی بیشتری را در خود نگه دارند و سپس با شدت فرو می‌ریزند. این فروپاشی، موجی از انرژی مکانیکی را آزاد می‌کند. پژوهشگران دریافتند که این انرژی به اندازه‌ای قوی است که می‌تواند دستگاه‌های میلی‌متری را تا ۱/۵ متر در هوا پرتاب کند. این چنین، این ربات‌ها می‌توانند با سرعتی نزدیک به ۱۲ متر بر ثانیه شنا کنند. دانشمندان توضیح دادند: حرکت شنا قابل کنترل است و امکان مسیریابی را در محیط‌های پیچیده و محدود همانند مارپیچ‌ها و کانال‌های ریزسیال‌ فراهم می‌کند.

«ریزسیال‌شناسی»(Microfluidics) به حرکت، کنترل دقیق و نگهداری سیالات حاوی سلول مرتبط است که به لحاظ هندسی به مقیاس کوچکی محدود شده‌اند. این علم، یک نوشته چند رشته‌ای است که با مقصد طراحی سامانه‌های گوناگون با یکدیگر همکاری می‌کنند.

جایگزینی سوزن‌ تزریقاتی

اتفاق حفره‌زایی طبق معمولً به گفتن اتفاق‌ای مخرب در نظر گرفته می‌شود. پژوهشگران توانستند با کنترل دقیق عوامل گرمایش لیزری همانند شدت، زاویه و زمان‌بندی در این راستا، جهت پرتاب، ارتفاع و نیروی پرش را تعیین کنند. این چنین، آنها توانستند کنترل این نوشته را که آیا دستگاه باید در آب بپرد، سر بخورد یا شنا کند در دست بگیرند. این روش تازه می‌تواند برخی از حوزه‌ها همانند پزشکی را منقلب کند و می‌توان از آن برای تزریق‌های پزشکی تازه و راه حلهای دارورسانی منفعت گیری کرد.

فناوری‌های کوچک پیشران‌ با حفره‌زایی می‌توانند به داخل پوست پرتاب و جانشین سوزن‌های زیرپوستی شوند. این چنین، آنها می‌توانند داروها را دقیقاً در داخل بدن همانند محل دقیق تومور حرکت دهند. از آنجا که این سامانه از گرمایش با تحریک نور منفعت گیری می‌کند، می‌توان آن را برای راه حلهای تهاجمی با حداقل مقدار سختی تنظیم کرد. این کار مهم است چون ریزربات‌های قبل زیاد تر برای پیشروی به میدان‌های مغناطیسی یا سوخت‌های شیمیایی متکی بودند که کنترل آنها را در بدن دشوار می‌کند.

از نظر دیگر، حفره‌زایی یک سامانه پرتاب پرانرژی و قابل کنترل را فراهم می‌کند که نیازی به منبع تغذیه داخلی یا قطعات متحرک ندارد. این روش می‌تواند کاربردهای فرد دیگر نیز برای اکتشافات تازه در محیط‌های محدود داشته باشد. جامپرها می‌توانند روی سطوح مرطوب یا ناهموار حرکت کنند و به کاوش در فضاهای تنگ یا غیر قابل دسترس همانند درون لوله‌ها، ماشین‌آلات یا سامانه‌های زیستی بپردازند.

راه طویل در پیش است

این پژوهش می‌تواند کاربردهای جالبی را در مطالعات زیست‌پزشکی داشته باشد. این ربات‌های کوچک می‌توانند به گفتن ریزشناگران در محیط‌های مایع همانند خون یا مایع بین‌سلولی حرکت کنند. این چنین، این روش امکان پذیر در سلول‌درمانی یا جراحی که ابزارهای معمولی برای آن زیاد بزرگ یا کند می باشند، کاربردهای جالبی را به همراه داشته باشد. این پژوهش تا این مدت در مرحله اثبات مفهوم است.

کنترل دقیق اتفاق حفره‌زایی در بدن انسان بدون صدمه رساندن به بافت‌های مجاور، زیاد دشوار خواهد می بود. چالش دیگر این فناوری، محدودیت عمق نفوذ لیزرها در بافت زیستی است. به این علت، کاربردهای عملی نیاز به مهندسی هوشمندانه خواهند داشت. زیست‌سازگاری مواد مورد منفعت گیری برای جامپرها باید پیش از این که برای اولین بار در حیوانات زنده آزمایش شوند، مورد بازدید قرار گیرند. پژوهشگران خاطرنشان کردند: مطالعه ما مشخص می کند که حفره‌زایی می‌تواند به گفتن یک فرآیند پرتاب کارآمد عمل کند.

این پژوهش در مجله Science انتشار شده است.