De minuscules robots en métal et en plastique

Les chercheuses et chercheurs de l'ETH Zurich ont mis au point une technique pour fabriquer des machines d'une longueur de quelques micromètres en emboîtant plusieurs matériaux de manière complexe. Ces microrobots vont un jour révolutionner le domaine de la médecine.
Infographie d'un microvéhicule avec des roues en fer (en doré) et un châssis en polymère (en rouge). Le véhicule ne mesure que 0,25 millimètres de long. (Visualisations : Alcântara et al. Nature Communications 2020)

Des robots si minuscules qu'ils peuvent manœuvrer dans nos vaisseaux sanguins et délivrer des médicaments à certains endroits du corps - les chercheuses et chercheurs poursuivent cet objectif depuis des années. Aujourd'hui, les scientifiques de l'ETH Zurich ont réussi pour la première fois à construire de telles «micromachines» en métal et en plastique, dans lesquelles ces deux matériaux sont aussi étroitement imbriqués que les maillons d'une chaîne. Cela est possible grâce à une nouvelle technique de fabrication qu'ils et elles ont mise au point.

«Les métaux et les polymères ont des propriétés différentes, et les deux matériaux offrent certains avantages dans la construction de micromachines. Notre objectif était de bénéficier de toutes ces propriétés simultanément en combinant les deux», explique Carlos Alcântara, ancien doctorant du groupe de Salvador Pané à l'Institut de robotique et de systèmes intelligents et l'un des deux principaux auteurs de l'article. En règle générale, les micromachines sont alimentées de l'extérieur du corps par des champs magnétiques, ce qui signifie qu'elles doivent être équipées de pièces métalliques magnétiques. Les polymères, en revanche, présentent l'avantage de pouvoir être utilisés pour construire des composants souples et flexibles ainsi que des pièces qui se dissolvent à l'intérieur du corps. Si des médicaments sont incorporés dans ce type de polymère soluble, il est possible d'apporter des substances actives de manière sélective à certains endroits du corps.

Méthode de production de haute technologie

La nouvelle méthode de fabrication s'appuie sur l'expertise du professeur Salvador Pané de l'ETH Zurich. Depuis des années, il travaille avec une technique d'impression 3D de haute précision qui produit des objets complexes au niveau du micromètre, une technique connue sous le nom de lithographie 3D. Les scientifiques de l'ETH Zurich ont appliqué cette méthode pour produire une sorte de moule ou gabarit pour leurs micromachines. Ces gabarits ont des rainures étroites qui servent de «négatif» et peuvent être remplis avec les matériaux choisis.

(Vidéo : ETH Zurich)

En utilisant le dépôt électrochimique, les scientifiques remplissent certaines des rainures avec du métal et d'autres avec des polymères avant de dissoudre finalement le modèle avec des solvants. «Notre groupe interdisciplinaire est composé d'ingénieur·es en électricité, d'ingénieur·es en mécanique, de chimistes et de spécialistes des matériaux qui travaillent en étroite collaboration. C'était la clé du développement de cette méthode», explique Fabian Landers, doctorant dans le groupe de Salvador Pané. Il est l'autre auteur principal de l'article, qui a été publié dans la revue Nature Communications.

Véhicule avec de minuscules roues magnétiques

Comme preuve de principe pour la fabrication de micromachines par emboîtement de matériaux, les scientifiques de l'ETH Zurich ont créé divers véhicules minuscules avec un châssis en plastique et des roues métalliques magnétiques actionnées par un champ magnétique rotatif. Certains de ces véhicules peuvent être propulsés sur une surface en verre, tandis que d'autres - selon le polymère utilisé - peuvent flotter dans un liquide ou sur une surface liquide.

Les scientifiques prévoient maintenant de perfectionner leurs micromachines à deux composants et d'expérimenter avec d'autres matériaux. En outre, ils et elles vont tenter de créer des formes et des machines plus complexes, dont certaines peuvent se plier et se déplier d'elles-mêmes. En plus de servir de «bacs» pour distribuer des substances actives, les futures applications des micromachines comprennent le traitement des anévrismes (renflements des vaisseaux sanguins) ou la réalisation d'autres procédures chirurgicales. Un autre objectif de la recherche consiste à fabriquer des stents (supports de vaisseaux en forme de tube) qui se déplient et peuvent être positionnés à un endroit précis du corps à l'aide de champs magnétiques.

Référence

Alcântara CCJ, Landers FC, Kim S, De Marco C, Ahmed D, Nelson BJ, Pané S : Mechanically Interlocked 3D Multi-Material Micromachines, Nature Communications, 24 novembre 2020, doi : 10.1038/s41467-020-19725-6