Il y a de nombreuses créations cinématographiques qui imaginent et traduisent en images à quoi ressemblerait un avenir où des microrobots nageraient dans nos courants sanguins, réparant les problèmes qu’ils détecteraient à l’intérieur de notre corps. Avons-nous déjà atteint cet avenir?
Microrobots: plus qu’un film, c’est la réalité
En 1959, le célèbre physicien théoricien Richard Feynman a fantasmé que, dans le futur, il existerait une technologie si avancée que des microrobots nageraient dans nos courants sanguins, réparant notre intérieur ou administrant des médicaments au fur et à mesure qu’ils avanceraient.
Soixante-cinq ans plus tard, les scientifiques se rapprochent de plus en plus de cette réalité. Des ingénieurs de l’Université de Tokyo ont récemment découvert un moyen de motoriser des structures microscopiques minuscules sans avoir besoin d’une source d’énergie externe.
La solution proposée consiste en une équipe d’organismes unicellulaires se déplaçant librement, attachés à un « chariot » comme de petits chevaux.
La recherche ne s’est pas limitée à chercher quelque chose de « sympathique et docile à l’intérieur du corps humain ». En effet, l’un des problèmes des « microrobots » conçus jusqu’à présent est que, étant si petits, les fluides comme le sang peuvent devenir aussi visqueux que de la gelée.
Ainsi, les chercheurs ont travaillé depuis des années pour créer de petits moteurs suffisamment puissants pour propulser ces structures plus facilement. Oui, il y a déjà quelque chose à voir.
Machines diaboliques de 10 micromètres
En exploitant les capacités de nage rapide de l’algue verte Chlamydomonas reinhardtii, des ingénieurs japonais ont trouvé une solution unique.
Chaque cellule de C. reinhardtii a seulement 10 micromètres de largeur, ce qui correspond au tiers de la taille du remorqueur Benchy – le plus petit bateau du monde, imprimé en 3D en 2020.
Les chercheurs de l’Université de Leiden ont imprimé en 3D le plus petit bateau du monde : une copie de 30 micromètres du Benchy, le remorqueur, un objet de test d’imprimante 3D bien connu. Ce bateau est si petit qu’il pourrait flotter à l’intérieur d’un seul cheveu humain.
Cependant, ensemble, ils peuvent tirer des machines cinq fois plus grandes que leur taille individuelle. Comme l’ont souligné les scientifiques qui ont conçu l’idée, cet ensemble ouvre de nouvelles possibilités pour le développement de micromachines complexes.
Les algues, considérées comme sûres pour la consommation humaine, sont propulsées par deux flagelles, poussant chaque unité vers l’avant de manière similaire à la nage du crawl.
Emprisonnés dans un panier spécialement conçu à cet effet, les flagelles de la cellule se trouvent à l’avant, lui permettant de traîner le reste du véhicule vers l’arrière tout en pagayant.
Le panier en forme de cage conçu pour maintenir les algues unicellulaires, avec de l’espace pour que leurs flagelles se déplacent. (Groupe de recherche Shoji Takeuchi de l’Université de Tokyo)
Contrairement à d’autres micromoteurs conçus par les scientifiques – qui dépendent souvent de sources d’énergie externes, telles que des champs magnétiques ou électriques – les moteurs vivants comme ceux de C. reinhardtii peuvent se déplacer de manière autonome.
L’auteur principal, Haruka Oda, et ses collègues ont conçu deux véhicules en plastique différents, imprimés en 3D, pour que les algues les conduisent, chacun mesurant 50 à 60 micromètres de largeur. Pour avoir une idée de la taille réelle, pensez que le diamètre moyen d’un cheveu humain est d’environ 100 micromètres.
Micromachines pouvant se déplacer de manière autonome en nous
Une des micromachines s’appelle « Scooter ». Elle a deux paniers pour attacher deux cellules d’algues, tous deux tournés dans la même direction et reliés à un « chariot » à l’arrière. Sans aucune sollicitation, les C. reinhardtii prennent place dans chaque cabine.
Les chercheurs ont été surpris de constater que la trottinette ne se déplaçait pas en ligne droite, même lorsque chaque panier était occupé. Au lieu de cela, elle tournait et effectuait des mouvements complexes. Elle a même fait 15 tonneaux en arrière et 10 culbutes.
L’autre véhicule, appelé « Rotator », se déplaçait de façon plus fluide. Il a été conçu avec quatre paniers, tous tournés dans la même direction et reliés par des rayons dans une formation semblable à une roue.
Avec une cellule d’algue occupant chacun des quatre paniers, la structure « tourne » à une vitesse moyenne de 20 à 40 micromètres par seconde, comme un tour de manège miniature.
La C. reinhardtii peut atteindre des vitesses de 100 micromètres par seconde lorsqu’elle n’est pas surchargée, ce qui incite les chercheurs à essayer de rendre ces micromachines plus rapides et plus précises.
Le Rotator, qui mesurait seulement 56 micromètres, est cinq fois plus grand qu’un autre microvéhicule conçu précédemment, fabriqué en 2017 pour être alimenté par des bactéries autopropulsées. Cependant, contrairement aux algues, la vitesse de ces bactéries a dû être contrôlée par un modulateur de lumière spécial.
Les méthodes développées ici ne sont pas seulement utiles pour visualiser les mouvements individuels des algues, mais aussi pour développer un outil qui peut analyser leurs mouvements coordonnés dans des environnements restreints.
Ces méthodes ont le potentiel d’évoluer dans le futur pour devenir une technologie utilisée pour la surveillance environnementale dans des environnements aquatiques et pour le transport de substances en utilisant des micro-organismes, tels que le déplacement de polluants ou de nutriments dans l’eau.
Déclare Shoji Takeuchi, qui a supervisé le projet.
Un jour, ces lignes de recherche pourraient concrétiser le rêve de Feynman d’un microbot transportant de « petites charges », comme des médicaments, dans un milieu liquide, comme le sang, alimenté par la vie elle-même. L’étude a été publiée dans la revue Small.