Un robot à la coquille souple

Fermés, ils ressemblent à des capsules de graines de plantes, déroulés comme des étoiles de mer : de par leur forme, les nouveaux microrobots pourraient tout aussi bien être des êtres vivants. Stefano Fusco, doctorant à l'Institut de robotique et de systèmes intelligents (IRIS) s'inspirent de la nature : Le piège à mouches de Vénus, respectivement le mécanisme par lequel la plante actionne son piège à insectes, a été pour le chercheur le plan directeur de ses "créatures".

Les microrobots ne sont pas durs, mais mous. Ils sont constitués de deux couches d'hydrogel, une catégorie de matériaux composée à 90 % d'eau et à 10 % de polymères. Les bras de l'enveloppe en forme d'étoile de mer se plient d'eux-mêmes vers l'intérieur et forment ainsi une capsule. La double couche d'hydrogel est imprégnée d'un principe actif modèle et fonctionne comme une plateforme pour la libération du principe actif. De minuscules billes magnétiques y sont en outre enfermées, qui transportent des cellules souches.

Libération ciblée de substances actives

Pour l'instant, les robots hydrogel n'ont été testés qu'in vitro. A l'aide d'un système de commande situé en dehors du système de test et fonctionnant avec différentes bobines magnétiques, les chercheurs peuvent diriger les capsules vers un endroit précis. Une fois arrivées, elles sont exposées à une lumière laser dans le domaine du proche infrarouge (longueur d'onde de 785 nm), ce qui déclenche un changement de forme de l'hydrogel. La capsule s'ouvre alors en quelques secondes et libère les billes. De cette manière, les scientifiques pourraient par exemple apporter et délivrer des substances actives et des cellules souches exactement là où elles sont nécessaires dans le corps. Le changement de forme du microrobot est réversible. C'est possible grâce au graphène que Fusco a ajouté à l'hydrogel. Le carbone est sensible au rayonnement infrarouge proche.

"Dès le départ, nous visions une application concrète, c'est pourquoi nous avons choisi un matériau souple pour les microrobots", explique Fusco, qui travaille comme scientifique des matériaux auprès des roboticiens de l'IRIS. Son étude, réalisée sous la direction du Senior Scientist Selman Sakar en collaboration avec d'autres groupes de l'ETH Zurich et de l'Université de Harvard, a fait l'objet d'un article de couverture dans la revue spécialisée correspondante - "Advanced Materials".

Le doctorant n'a pas eu à s'occuper du système de navigation. D'autres chercheurs de l'IRIS y travaillent depuis près d'une décennie. Il a été développé pour piloter et déplacer de minuscules objets magnétiques qui n'ont pas de propulsion propre ni de raccordement électrique. Ce système ingénieux a été rendu célèbre par un microrobot utilisé pour des interventions peu invasives dans l'œil (ETH Life a rapporté).

Améliorer la profondeur de déploiement

Les robots hydrogel ont encore des limites. Fusco a découvert que le rayonnement proche infrarouge ne peut pénétrer dans le corps qu'à une profondeur de 15 millimètres à 15 centimètres, selon le type de tissu. C'est peut-être trop peu pour une utilisation dans les organes internes. Les chercheurs ont donc développé un autre mécanisme pour ouvrir les capsules dans les tissus où le rayonnement proche infrarouge ne pénètre pas : le doctorant de l'ETH a conçu l'hydrogel de manière à ce qu'il change de forme en réponse à une impulsion magnétique. Les microrobots pourraient ainsi être déclenchés en profondeur à l'intérieur du corps. "Le grand avantage de l'hydrogel est qu'il peut être adapté avec différents additifs chimiques de manière à ce que la capsule réagisse à différents stimuli", explique le chercheur en matériaux.

Jusqu'à présent, il n'a testé les capsules d'hydrogel que dans des liquides biologiques et dans l'eau, mais pas encore dans un tissu animal ou humain. Une application dans un organisme vivant n'est toutefois envisageable que si les chercheurs parviennent à rendre les capsules encore plus petites. Avec leur taille actuelle d'un demi-millimètre, les microrobots ne peuvent par exemple pas passer par des capillaires. Fusco pense qu'ils doivent être "au moins dix fois plus petits". Un autre objectif est de rendre les capsules et leur contenu biodégradables. L'enveloppe et les billes qu'elle contient doivent être biorésorbables, afin qu'il ne soit pas nécessaire de les retirer du corps après leur utilisation. Pour atteindre ces deux objectifs, trois à cinq années de recherche supplémentaires seront probablement nécessaires, estime Fusco. Seule cette deuxième génération de robots hydrogel pourrait alors être testée sur des animaux.