Реснички – это прилежные проводники тела. Эти микроскопические волоски, которые ритмично двигают жидкость, отвечают за продвижение спинномозговой жидкости в мозг, выведение мокроты и грязи из легких и поддержание чистоты других органов и тканей.

Техническое чудо, реснички оказалось трудно воспроизвести в инженерных приложениях, особенно в микромасштабе.

Исследователи из Корнелла разработали систему искусственных ресничек микроразмера с использованием компонентов на основе платины, которая может контролировать движение жидкостей в таком масштабе. Когда-нибудь эта технология может позволить создать недорогие портативные диагностические устройства для тестирования образцов крови, манипулирования клетками или помощи в процессах микрофабрикации.

Статья группы «Метаповерхности ресничек для электронно-программируемых микрофлюидных манипуляций» опубликована 25 мая в журнале Nature. Ведущий автор — докторант Вэй Ван.

«Есть много способов сделать искусственные реснички, которые реагируют на свет, магнитные или электростатические силы», — сказал Ван. «Но мы первыми использовали наш новый нанопривод для демонстрации искусственных ресничек, которые контролируются индивидуально».

Проект, возглавляемый старшим автором статьи Итай Коэном, профессором физики в Колледже искусств и наук, строит привод на основе платины с электрическим приводом — часть движущегося устройства — его группа ранее создала для обеспечения микроскопические роботы для ходьбы. Механика сгибания ног ботов аналогична, но функции и приложения системы ресничек различны и довольно гибки.

«То, что мы показываем здесь, — сказал Коэн, — это то, что как только вы сможете индивидуально воздействовать на эти реснички, вы сможете манипулировать потоками любым способом. Вы можете создать несколько отдельных траекторий, вы можете создать круговой поток, вы можете создать транспорт, или потоки, которые разделяются на два пути, а затем воссоединяются. Вы можете получить линии потока в трех измерениях. Все возможно».

«Было очень сложно использовать существующие платформы для создания маленьких ресничек, которые работают в воде, имеют электрическую адресацию и могут быть интегрированы с интересной электроникой», — сказал Коэн. «Эта система решает эти проблемы. И с такой платформой мы надеемся разработать следующую волну устройств для манипулирования микрожидкостями».

Типичное устройство состоит из чипа, который содержит 16 квадратных единиц с 8 массивами ресничек на единицу и 8 ресничек на массив, причем каждая ресничка имеет длину около 50 микрометров, в результате чего получается «ковер» из примерно тысячи искусственных ресничек. Поскольку напряжение на каждой ресничке колеблется, ее поверхность периодически окисляется и сокращается, что заставляет ресничку изгибаться вперед и назад, позволяя перекачивать жидкость со скоростью десятки микрон в секунду. Различные массивы могут быть активированы независимо друг от друга, что создает бесконечную комбинацию моделей потока, имитирующих гибкость, наблюдаемую в их биологических аналогах.

В качестве бонуса команда создала устройство для ресничек, оснащенное комплементарной схемой часов металл-оксид-полупроводник (CMOS) — по сути, электронный «мозг», который позволяет ресничкам работать без привязки к обычной компьютерной системе. Это открывает двери для разработки множества недорогих диагностических тестов, которые можно проводить в полевых условиях.

«Вы можете представить себе в будущем людей, которые берут это крошечное устройство размером сантиметр за сантиметром, наносят на него каплю крови и проводят все анализы», — сказал Коэн. «Вам не нужно было бы иметь причудливую помпу, вам не нужно было бы иметь какое-либо оборудование, вы просто буквально поставили бы его на солнечный свет, и он бы работал. Это могло бы стоить порядка 1-10 долларов».

Исследование было опубликовано в Nature.