Kemiske robotter skal fjerne giftstoffer

Miljøkatastrofen truer. En fabrik har lækket tusindvis af liter farlige kemikalier ud i en sø. Beredskabet når heldigvis at komme ulykken i forkøbet, for de har straks spredt en hær af bittesmå kemiske robotter ud over området. Et øjeblik syder og bobler det forurenede vand, indtil robotterne er færdige: kemikaliet er suget op, og alting ligner igen sig selv.

Det lyder som ren fantasi, men faktisk har robotforskere på Syddansk Universitet allerede sådanne kemiske robotter i støbeskeen. Efter de første indledende armbøjninger går forskerne nu for alvor i gang med udviklingsarbejdet, og planen er, at der skal ligge en prototype klar om bare tre år.

Robotteamet har længe været helt i front når det gælder udviklingen af modulopbyggede robotter af blankt metal og avanceret elektronik, hvor hvert modul er på størrelse med eksempelvis en håndbold.

Ambitionen i dette projekt er at skrumpe principperne ned i nanostørrelse og konstruere en modulopbygget robot af simple fedtbobler på molekyleniveau. Boblerne skal fungere som en form for beholdere, der kan optage eller rumme forskellige stoffer, og som kan arbejde sammen om eksempelvis at fjerne et bestemt stof, fordi det er farligt.

»Fordelen ved de kemiske robotter er, at de er så små og fleksible, at de kan bevæge sig rundt på utilgængelige steder, hvor en almindelig robot aldrig vil kunne komme. Samtidigt er selve fremstillingen af dem let og billig - der vil nok ikke skulle mere end nogle få ingredienser til, før man får robot med intelligente egenskaber,« pointerer lektor Ulrik Pagh Schulz fra Mærsk Mc-Kinney Møller Instituttet, Syddansk Universitet, der sammen med kollegerne Peter Eggenberger og Martin Hanczyc med flere arbejder på at finde en robot-konstruktion, der virker.

Boblerne snakker sammen

De kemiske robotter skal opbygges af små moduler i form af fedtmolekyler, der hver især har sin helt egen funktion. Hver fedtboble består af en membran, der fører ind til et hulrum, som kan rumme forskellige kemiske stoffer.

I en kemisk robot med tre moduler registrerer og opsuger den første boble måske et giftstof. Den næste nedbryder giftstoffet. Og den sidste får robotten til at svømme rundt. Da alle bobler er i indbyrdes kontakt, kan de sende hinanden kemiske signaler om, hvornår de hver især skal gå i gang med deres opgaver.

»Vi håber på at kunne koble boblerne sammen på en måde, så en proces i den ene boble vil kickstarte et forløb i den næste. Alt efter hvilke moduler, man sætter sammen, kan man konstruere kemiske robotter, der kan løse vidt forskellige opgaver,« siger Ulrik Pagh Schulz.

DNA-stumper går i hak

Opskriften på sådan en robot er såre simpel: Man tager et skvæt fedtmolekyler og en bunke små mikroskopiske DNA-stumper og kaster ned i et glas vand og rører rundt.

I det øjeblik fedtmolekylerne rammer vandet, vil de spontant danne fedtbobler. Herefter kobler DNA-stumperne sig fast på fedtboblernes overflade som nelliker, der er stukket ind i skrællen på en appelsin.

Idéen er, at hver DNA-stump automatisk også er en kode, og at man på forhånd nøje har valgt en masse DNA-koder, der parvis passer sammen. Den ene halvdel af DNA-parret sidder fast i én fedtboble - den anden halvdel af parret i en anden. I det øjeblik, de to partnere rammer hinanden, vil de gå i hak som en nøgle i en lås. På den måde bliver DNA-stumperne det klister, der binder robottens fedtbobler sammen til en større struktur.

Forskerne tilkæmper sig fuld kontrol

En af de udfordringer, som robotforskerne lige nu kæmper med, er at finde en måde at styre, på hvilke fedtbobler de enkelte DNA-stumper sætter sig. Lykkes det at få den fulde kontrol, kan forskerne bestemme, hvordan fedtboblerne bindes sammen og dermed også præcis hvordan robotten bygges op. I praksis er det en uhyre svær proces, men de seneste eksperimentelle resultater viser, at det godt kan lade sig gøre.

For hurtigt at kunne spore sig ind på den mest optimale konstruktion, arbejder robotforskerne lige nu på at udvikle et simuleringsmiljø, hvor de kan teste forskellige sammensætninger af DNA-stumper på fedtboblernes overflade. Her vil de kunne se, hvilken rumlig struktur de forskellige sammensætninger af DNA-stumper fører til.

»Opgaven er særdeles udfordrende, da vi skal kunne simulere meget store mængder af fedtbobler. Det er både beregningsmæssigt tungt og gør det desuden svært at fortolke resultatet af simulationen: når man simulerer titusinder af fedtbobler er det svært at afgøre hvor mange af dem, der har sat sig sammen på den rigtige måde,« siger Ulrik Pagh Schultz, som dog allerede har flere idéer til, hvordan det reelt vil kunne lade sig gøre.

Motor i form af en olieboble

Til gengæld kan forskerne stadig ikke rigtigt greje, hvordan de skal få robotten til at bevæge sig. Drømmen er at udstyre robotten med en motor, og faktisk har forskerne allerede haft held med at lave én i form af en slags olieboble. Det kniber til gengæld med at få koblet motoren sammen med selve robotten, og her er robotforskerne stadig et godt stykke fra målet.

»Det kan godt være, at vi helt skal forkaste tanken om at bruge DNA-stumperne til at klistre motor og robot sammen. I stedet vil vi forsøge at udstyre robotten med en lille kæde af fedtbobler, der slynges rundt om olieboblen som en slags lasso. Herefter håber vi på, at motoren kan trække afsted med hele robotten,« siger Ulrik Pagh Schulz.

Et livgivende missil

Selv om det ikke skulle lykkedes at udstyre robotten med en motor, så er det ikke nogen katastrofe. Uanset hvad vil robotten stadig have fantastisk mange anvendelser for i virkeligheden er det kun fantasien, der sætter grænser for, hvad robotterne kan bruges til.

»Det spændende er, at robotten ikke nødvendigvis behøver at bevæge sig for at kunne blive en succes. Mange gange vil man f.eks. kunne udnytte de strømninger, der er i omgivelserne til at flytte robotten det ønskede sted hen,« siger han og fortæller, at der blandt andet er store perspektiver i at lade små kemiske robotter transportere medicin via blodbanerne til det syge sted i kroppen.

Skydes robotten ind i banerne, vil den automatisk strømme med blodet til det når frem til eksempelvis det syge organ, og først hér vil den udgyde sin indmad i form af medicin. Da medicinen frigives lige dér, hvor kroppen har brug for det, vil det kunne mindske bivirkningerne og samtidigt få størst mulig effekt ud af medicinen.

»For at lave en robot, der kan flyde rundt inde i blodbanen, ville man med den nuværende teknologi være nødt til at lave en lille avanceret nanorobot med et elektisk kredsløb - men elektronik i flydende væsker er en dårlig cocktail. Kroppen er en kemisk maskine, og derfor tror vi at kemiske robotter vil være optimale som medicinleverandør,« siger han.

Robot med intelligente solbriller

Et spændende perspektiv på lang sigt er såkaldte smarte materialer, hvor hver fedtboble skal være i stand til at reagere direkte på de ting, der sker i omgivelserne.

Det spændende er, at robotten ikke nødvendigvis behøver at bevæge sig for at blive en succes. Mange gange vil man kunne udnytte de strømninger, der er i omgivelserne til at flytte robotten med

Ulrik Pagh Schulz

Man kan eksempelvis lade et smart materiale om at beskytte et lysfølsomt stof ved at fylde det på nogle fedtbobler med en 'intelligent' membran, der mørklægger sig selv hver gang den rammes af sollyset.

En anden vision er at konstruere et materiale, der i takt med en stigende belastning kan rokere om på sine fedtbobler, så strukturen bliver forstærket lige dér hvor belastningen er størst.

Men alt dette er fremtidsdrømme. Lige nu fokuserer Ulrik Pagh Schulz og hans kolleger på at nå deres målsætninger i projektet i de næste tre år.

»I første omgang vil vi koncentrere os om at bygge en robot, der kan opsamle og nedbryde kemiske stoffer i vand, og det mener jeg er realistisk inden for en tidsramme på tre år. Herefter kommer så de mere vidtløftige anvendelser, der vil tage betydeligt længere tid. Men hvis vi tager et skridt af gangen skal vi nok nå målet,« slutter Ulrik Pagh Schulz.