La larve d'étoile de mer, une source d'inspiration

Les scientifiques s'intéressent de près aux minuscules machines qui devraient révolutionner la médecine. Ces microrobots, qui n'ont souvent qu'une fraction du diamètre d'un cheveu, sont conçus pour nager dans le corps afin d'administrer des médicaments dans des zones spécifiques et de réaliser les plus petites interventions chirurgicales.

La conception de ces robots s'inspire souvent de micro-organismes naturels tels que les bactéries ou les algues. Pour la première fois, un groupe de recherche de l'ETH Zurich a mis au point un microrobot inspiré des larves d'étoiles de mer, qui utilisent des bandes ciliaires à leur surface pour nager et se nourrir. Le système synthétique activé par ultrasons imite la disposition naturelle des bandes ciliaires des étoiles de mer et exploite l'acoustique non linéaire pour reproduire les mouvements et les techniques de manipulation des larves.

Des cils qui repoussent ou aspirent les liquides.

À première vue, les microrobots ne ressemblent que très peu aux larves d'étoiles de mer. À l'état larvaire, l'étoile de mer a un corps lobé qui ne mesure que quelques millimètres de diamètre. Le microrobot, quant à lui, est un rectangle dix fois plus petit, d'un quart de millimètre seulement. Mais les deux ont en commun une caractéristique importante: une série de poils fins et mobiles à la surface, appelés cils.

Une larve d'étoile de mer est recouverte de centaines de milliers de ces poils. Disposés en rangées, ils battent en avant et en arrière de manière coordonnée, créant des tourbillons dans l'eau environnante. L'orientation relative de deux rangées détermine le résultat final : Incliner deux bandes de cils battants l'une vers l'autre crée un tourbillon avec un effet de poussée, propulsant la larve. À l'inverse, l'inclinaison de deux bandes à l'opposé l'une de l'autre crée un tourbillon qui aspire le liquide et piège les particules dont se nourrit la larve.

Les nageurs artificiels battent plus vite

Ces cils ont été l'élément de conception clé du nouveau microrobot développé par l'équipe de l'ETH Zurich dirigée par Daniel Ahmed, professeur de robotique acoustique pour les sciences de la vie et les soins de santé. «Au départ, explique Daniel Ahmed, nous voulions simplement tester si nous pouvions créer des tourbillons similaires à ceux de la larve d'étoile de mer avec des rangées de cils inclinées les unes vers les autres ou éloignées les unes des autres.

À cette fin, l'équipe de recherche a utilisé la photolithographie pour construire un microrobot avec des bandes ciliaires inclinées de manière appropriée. Des ondes ultrasonores provenant d'une source externe ont ensuite été appliquées pour faire osciller les cils. Les versions synthétiques ont battu en avant et en arrière plus de dix mille fois par seconde, soit environ mille fois plus vite que ceux d'une larve d'étoile de mer. Et comme pour la larve, ces cils peuvent être utilisés pour générer un tourbillon avec un effet de succion à l'avant et un tourbillon avec un effet de poussée à l'arrière, l'effet combiné faisant avancer le robot.

En laboratoire, l'équipe de recherche a montré que les microrobots peuvent nager en ligne droite dans un liquide tel que l'eau. L'ajout de minuscules perles en plastique dans l'eau a permis de visualiser les tourbillons créés par le microrobot. Le résultat est étonnant: les larves d'étoiles de mer et les microrobots génèrent des schémas d'écoulement pratiquement identiques.

Ensuite, l'équipe de recherche a disposé les bandes ciliaires de manière à ce qu'un tourbillon d'aspiration soit placé à côté d'un tourbillon de poussée, imitant ainsi la technique d'alimentation utilisée par les larves d'étoiles de mer. Cette disposition a permis aux robots de collecter des particules et de les envoyer dans une direction prédéterminée.

Les ultrasons offrent de nombreux avantages

Daniel Ahmed est convaincu que ce nouveau type de microrobot pourra être utilisé en médecine dans un avenir proche. En effet, un système reposant uniquement sur les ultrasons présente des avantages décisifs: les ondes ultrasonores sont déjà largement utilisées en imagerie, pénètrent profondément dans le corps et ne présentent aucun risque pour la santé.

Le fait que cette thérapie ne nécessite qu'un appareil à ultrasons la rend peu coûteuse, ajoute-t-il, et peut donc être utilisée aussi bien dans les pays développés que dans les pays en voie de développement.

Daniel Ahmed pense qu'un premier champ d'application pourrait être le traitement des tumeurs gastriques. L'absorption des médicaments classiques par diffusion est inefficace, mais le fait que des microrobots transportent un médicament spécifiquement vers le site d'une tumeur de l'estomac et l'y délivrent pourrait rendre l'absorption du médicament par les cellules tumorales plus efficace et réduire les effets secondaires.

Des images plus nettes grâce aux agents de contraste

Mais avant que cette idée puisse se concrétiser, un défi majeur reste à relever: l'imagerie. Pour diriger les minuscules machines au bon endroit, il faut générer une image nette en temps réel. L'équipe de recherche envisagent de rendre les microrobots plus visibles en incorporant des agents de contraste tels que ceux déjà utilisés en imagerie médicale par ultrasons.

Outre les applications médicales, Daniel Ahmed prévoit que cette conception inspirée de l'étoile de mer aura des implications importantes pour la manipulation des plus petits volumes de liquide dans la recherche et l'industrie. Des bandes de cils battants pourraient exécuter des tâches telles que le mélange, le pompage et le piégeage de particules.