Des robots nageurs microscopiques, c’est possible

Un prototype de laboratoire sur puce, destiné à l’analyse du plasma sanguin, élaboré grâce à la microfluidique et ne nécessitant aucun circuit électronique. Une minime quantité de sang (Whole Blood) est insérée (à gauche). C’est une pression d’air plus faible (Suction Chambers) qui attire le liquide vers la droite. Plus lourds, les globules rouges et les globules blancs s’arrêtent dans la première chambre (Plasma Extraction). Le plasma seul s’écoule jusqu’au détecteur de biomarqueurs (Biomarker Detection) où est réalisée l’analyse. Ce genre de dispositif nécessite le contrôle fin du mouvement de fluides à toute petite échelle, ce que l’on ne sait pas encore bien faire. © Ivan Dimov, UC Berkeley 

Pour réaliser des machines microscopiques, il ne suffit pas de miniaturiser ce que l’on sait faire à notre échelle. Car les lois de la physique, si elles ne changent pas (sauf si l’on descend dans le monde quantique, mais ceci est une autre histoire), se découvrent d’autres paramètres. En se déplaçant dans un liquide, par exemple, la traînée, la viscosité ou la tension superficielle produisent des effets inconnus à notre échelle : les gerris (insectes hémiptères hétéroptères) marchent sur l’eau, mais des nageurs de moins d’un millimètre sembleraient englués comme dans du miel.

Les ingénieurs du microscopique doivent penser autrement. C’est ce que fait une équipe du Georgia Institute of Technology en posant les bases théoriques d’un minuscule robot nageur dont les dimensions seraient de l’ordre du micron (ou micromètre, millième de millimètre). Effectivement, il ne ressemble à rien de connu et ne pourrait pas exister à notre échelle. Cependant, promettent les simulations effectuées, avec ses petites dimensions, il fonctionnerait très bien et pourrait avoir de multiples applications médicales. D’actives recherches sont menées actuellement pour imaginer ce genre de micro ou nanomachines. Les unes serviraient de transporteur de médicament ne délivrant leur produit actif qu’au niveau d’une tumeur ou de certaines cellules, comme les neurones. D’autres, fixées sur un support, canaliseraient des flux liquides de très petites tailles : c’est l’idée de la microfluidique, qui permettrait de réaliser un laboratoire à l’échelle d’une puce électronique (lab-on-a-chip, disent les anglophones).

Un micronageur avec deux palmes et un gouvernail

Le corps de ce micronageur est un cube d’hydrogel flanqué de deux plaques, une sur chaque flanc et dépassant vers l’arrière (défini par le sens de déplacement). Une troisième est plantée sur la face avant. L’énergie vient de l’extérieur et le pilotage se fait à distance. Le corps du micronageur enfle ou désenfle sous l’effet d’un stimulus à trouver : réactions chimiques oscillantes, variations d’un champ électrique ou magnétique ou successions cycliques de changements de température. Ce mouvement plie les deux plaques latérales dans un sens, ou dans l’autre, et leurs parties libres oscilleraient alors comme des palmes. Voilà pour la poussée. La plaque avant, elle, serait choisie dans un matériau réagissant par exemple à la lumière et servirait de gouvernail. Un tel engin serait donc contrôlable à distance, soit pour avancer dans une direction donnée, soit pour mettre en mouvement le fluide dans lequel il baigne.

Encore fallait-il démontrer qu’il avancerait comme prévu. C’est ce qu’a vérifié l’équipe en mettant à contribution les lois de l’hydrodynamique, « pas simple à cette échelle », expliquent-ils. L’équipe espère que ce travail, publié dans la revue Soft Matter, servira de base à d’autres ingénieurs pour réaliser ce type de dispositif micrométrique.

« Nous voulions démontrer comment des robots aussi petits pourraient se déplacer en déterminant ce qui est important et ce qui serait nécessaire pour construire un système réel », résume Alexander Alexeev, de l’école d’ingénierie mécanique (George W. Woodruff School of Mechanical Engineering) du Georgia Institute of Technology. Les « expérimentateurs », selon l’expression de ce chercheur, ne doivent donc pas se décourager : un robot de taille micrométrique peut nager, à condition de penser à des solutions complètement nouvelles…