Искусственные реснички, напечатанные на 3D-принтере: создание микроскопических сенсоров для обнаружения потока и изменений окружающей среды

Нанодокторант Филип Гласс и его научный руководитель Дэха Джунг, Ph.D., из Университета Содружества Вирджинии исследуют область механосенсинга. Это биологический термин, описывающий методы, которые тело использует для сбора внешних стимулов и отправки их в мозг, что приводит к таким ощущениям, как осязание, слух, движение и боль.

Теперь они переносят эту концепцию на машины и роботов, создавая крошечные 3D-печатные сенсоры, похожие на человеческие волоски. Существующие технологии механосенсинга могут обнаруживать устойчивое давление, быстрое давление и изменения температуры. Однако менее изученной областью является концепция «скользящей» силы — например, ощущение на коже при снятии или надевании одежды.

Потенциальные применения

Исследователи указывают на ряд применений в промышленной, экологической и биомедицинской областях:

• Минимально инвазивные хирургические роботы, оснащенные механорецепторами-ресничками для лучшего обнаружения малейших изменений давления или температуры.
• Промышленные машины, способные измерять поток воздуха или воды.
• Робот, способный читать шрифт Брайля.
• Обнаружение мусора на высокочувствительной линзе камеры.

В случае чтения Брайля реснички были выровнены в структуру, похожую на щетку, и прикреплены к роботу, который перемещали по поверхности с точками Брайля. Собранные данные точно отобразили форму шрифта.

Технология изготовления

Сенсоры-реснички Гласса формируются на кастомизированном 3D-принтере с использованием материала поликапролактона (PCL), смешанного с графеном (высокопроводящим супернаноматериалом) и растворителем, который высыхает при контакте с воздухом. 3D-печать также дает гибкость для печати ресничек разного размера «просто путем изменения нескольких строк кода».

«Одним из огромных преимуществ нашей технологии является то, что мы можем печатать волоски разного размера, которые по-разному ощущают стимул», — говорит Гласс. «Очень длинные волоски сгибаются легче, чем короткие, поэтому, в то время как другие типы датчиков воздушного потока могут обнаруживать только один диапазон потока, мы можем печатать наши реснички разных размеров и с разным расстоянием, делая их чувствительными к широкому спектру стимулов».

Исследователи изложили свои выводы и физику, лежащую в основе их интеллектуальной собственности, в статье «3D-Printed Artificial Cilia Arrays: A Versatile Tool for Customizable Mechanosensing», опубликованной в журнале Advanced Science в июле 2023 года.