TOHUM KESESİ GİBİ PATLAYAN BİR KAPSÜL

Minik manyetik mikrorobotlar bir gün sindirim kanalında yol alarak ilaç taşıyabilir, bir lezyonu tedavi edebilir ya da görüntü alabilir. Ama önce oraya tek parça hâlinde — asitten, mukustan ve midenin çalkalanmasından korunarak — ulaşmaları, sonra doğru noktada hızla serbest bırakılmaları gerekir. Bugünkü kapsüller ya motorlar, yaylar ve elektronik parçalarla doludur ve yüke az yer bırakır, ya da açılması dakikalar ila saatler süren “akıllı” malzemelere dayanır.

Hangzhou’daki Zhejiang Üniversitesi’nden Mengfan Zhang, Zike Chen, Rui Xiao, Guoyong Mao ve arkadaşları çözümlerini çiçekli bir bitkide buldu.

Patlayan bir kesenin hilesi

Impatiens balsamina’nın tohum kesesi olgunlaştığında hafif bir dokunuş onu patlatır: kapakçıkları bir anda içe doğru kıvrılır ve tohumları fırlatır. Akraba türlerde tohumlar saniyede yaklaşık 1 ila 4 metre hızla ayrılır. İlke bir mandallı yaydır: kıvrık kapakçıklar elastik enerji depolar, çevredeki doku da mandal görevi görür. Mandalı bırakın, depolanan enerji tüm işi yapar.

Üç parça

Kapsül bu tasarımı üç parçayla kopyalıyor:

montaj sırasında tersyüz edilen yumuşak bir silikon kubbe — yay budur;
robotlar için küçük bir bölmesi olan, 8 milimetre çapında ve 5 milimetre yüksekliğinde bir silindir biçiminde 3B yazıcıyla basılmış plastik bir taban;
jelatin, karragenan ve demir oksit nanoparçacıklarından yapılmış bir jel halkası — mandal budur.

Alternatif bir manyetik alan altında nanoparçacıklar jeli ısıtır. Jel yumuşar ve içeriden yırtılır, kubbe eski şekline fırlar ve kapsül patlayarak açılır. Saf jelatin 30 ile 36 °C arasında erirdi, bu da vücut sıcaklığına fazla yakın; karragenan eklemek jeli 37 °C’de sağlam tutar ve sıvıya geçiş 51,6 °C’de olur.

Yayı doğru ayarlamak

Zor kısım mekanikti. Ters çevrilmiş bir kubbe iki kararlı (bistable) olabilir — bir kez itildiğinde ters kalır — ve o zaman bir daha asla açılmaz. Tek kararlı (monostable) olmalı, yani her zaman geri fırlamalı. Ama fazla sert bir kubbe jeli tetikleyiciden önce yırtar. Ekip bilgisayar simülasyonlarıyla hangi şekillerin iki kararlı ya da tek kararlı olduğunu haritalandırdı ve kubbeyi yapıştırmak için kullanılan bileziğin onu iki kararlılığa doğru ittiğini buldu; bu yüzden kubbenin ders kitabındaki bir kabuktan daha kalın olması gerekiyor. Son kubbeleri: 5 milimetrelik yarı açıklık üzerinde 2,6 milimetre yükseklik ve 1,5 milimetre kalınlık. Cımbızla bırakıldığında böyle bir kubbe saniyede 1,21 metre hızla fırlıyor ve 100 milisaniye içinde tamamen ayrılıyor.

Basılmış bir pistten bir domuz midesine

Tam testte bir mıknatıs, kapalı kapsülü 3B yazıcıyla basılmış bir pist boyunca yaklaşık 70 saniyede hedefine kaydırıyor. Ardından alternatif alan jeli yaklaşık 20’den 41 °C’ye ısıtıyor. Kapsül, jel yumuşadıktan 50 milisaniyeden kısa sürede açılıyor ve robotlar saniyede yaklaşık 1,0 metre hızla dışarı fırlatılıyor — tohumların hız aralığının alt ucu. Ardından bir mıknatıs onları seçilen noktalara doğru topluyor. Buradaki “robotlar” küçük manyetik elastomer parçaları.

Vücut dışındaki bir domuz midesi üzerinde kapsül, doku üzerinde yönlendirilirken kapalı kaldı ve komutla açıldı. Yumuşak, yapışkan doku enerjinin bir kısmını emdi: fırlatma hızı başlangıçta saniyede yaklaşık 0,5 metreye düştü. Serbest kalan robotlar yine de yüzey boyunca yönlendirilebildi. Ters yerleştirildiğinde kapsül hiçbir şey fırlatmadan yavaşça açılıyor ve mıknatıs robotları dışarı çekiyor — daha yumuşak bir mod.

Yazarlar geriye kalanları sıralıyor: canlı bir hayvanda test yok, jelin mide asidi ve sindirim sıvılarındaki davranışı bilinmiyor ve daha güçlü bir jel aynı zamanda daha yüksek bir sıcaklıkta eriyecek. Aralarından dördü — Mao, Zhang, Chen ve Xiao — kapsül için patent başvurusunda bulundu.