Hoe kunnen we in de nabije toekomst piepkleine robots bouwen, die medicijnen afleveren in ons lichaam? Door bottom-up te bouwen met minuscule bouwsteentjes en scharnieren!

Natuurkundige Daniela Kraft van de Universiteit Leiden kwam vorig jaar al met een oplossing om makkelijker minirobots te bouwen: bottom-up bouwen in plaats van top-down bouwen. Bij bottom-up bouwen worden kleine baksteentjes ingezet om robots te creëren. Haar onderzoeksgroep werkt aan een methode om structuren op te bouwen met colloïden. Colloïden zijn deeltjes die iets groter zijn dan nanodeeltjes, maar die je niet met het blote oog kunt zien. Colloïden gaan zelfstandig te werk. De bolletjes met een doorsnee van een miljoenste meter bewegen continu in een willekeurige richting, waardoor ze vanzelf samenklonteren en structuren vormen.

Van structuren naar gewrichten
Nu is het al lastig om basisstructuren te creëren, zoals haltertjes, driehoekjes en kubusjes. Maar wat te denken van bewegende componenten? Een piepkleine robot heeft immers gewrichten. Kraft en haar collega’s zijn er nu als eersten in geslaagd om drie soorten gewrichten te maken op micrometerschaal: scharnier-, kogel- en schuifgewrichten. Dit melden zij in een nieuw paper in het wetenschappelijke vakblad Nanoscale.

Knutselen met DNA
De onderzoekers verbonden de colloïden via DNA-strengen, waardoor ze soepeltjes konden bewegen. DNA-strengen hechten zich namelijk niet aan een vaste plek op de colloïde en bewegen zich vrij over het oppervlak. Kraft plaatste circa duizend DNA-strengen per vierkante micrometer aan het colloïdeoppervlak. Deze lage dichtheid was nodig om voldoende gewrichtsfuncties in te bouwen zonder dat ze vastlopen.

Drie gewrichten
Aangezien colloïden het sterkst aan elkaar hechten bij een maximaal contactoppervlak, kunnen er allerlei functies worden ingebouwd. Een bolletje op een kubus kan alleen schuiven over één zijde, omdat het contactoppervlak vermindert als het bolletje de hoek om gaat. Hierdoor ontstaat een schuifgewricht. Bolletjes in het midden van een haltervorm kunnen alleen om het centrum draaien, waardoor er een scharnier ontstaat. Bolvormige colloïden vormen tenslotte een kogelgewricht omdat daaraan gebonden deeltjes vrijheid hebben over 360 graden. Dit is hieronder mooi te zien.

Drie verschillende soorten microgewrichten. a) kogelgewricht, b) schuifgewricht (waarbij de paarse bol alleen over één zijde kan schuiven) en c) scharniergewricht.

En hoe ziet dat er onder een microscoop uit? Nou zo:


Kogelgewricht


Schuifgewricht


Scharniergewricht

Onderzoekers kunnen nu starten met het bouwen van minuscule robots. Het zal nog wel even duren voordat dit van een leien dakje gaat, maar de LEGO-kist vult zich al met steeds meer vormpjes en gewrichten.