విత్తనపు కాయలా పగిలిపోయే ఒక క్యాప్సూల్
అతి చిన్న అయస్కాంత సూక్ష్మ రోబోలు (microrobots) ఏదో ఒక రోజు జీర్ణ వ్యవస్థలో ప్రయాణించి మందులు అందించడం, ఒక గాయానికి చికిత్స చేయడం లేదా చిత్రాలు తీయడం చేయవచ్చు. కానీ ముందుగా అవి చెక్కుచెదరకుండా అక్కడికి చేరాలి — ఆమ్లం, శ్లేష్మం, జీర్ణాశయపు చిలకడం నుంచి రక్షణ పొందుతూ — ఆ తర్వాత సరైన చోట త్వరగా విడుదల కావాలి. నేటి క్యాప్సూళ్లు మోటార్లు, స్ప్రింగ్‌లు, ఎలక్ట్రానిక్స్‌ను నింపుకుని సరుకుకు కొద్ది చోటే మిగులుస్తాయి, లేదా తెరుచుకోవడానికి నిమిషాల నుంచి గంటలు తీసుకునే “స్మార్ట్” పదార్థాలపై ఆధారపడతాయి.
హాంగ్‌జౌలోని జెజియాంగ్ విశ్వవిద్యాలయానికి చెందిన మెంగ్‌ఫాన్ జాంగ్, జికే చెన్, రుయ్ షియావో, గువోయోంగ్ మావో, సహచరులు తమ పరిష్కారాన్ని ఒక పుష్పించే మొక్కలో కనుగొన్నారు.
పగిలే కాయ చిట్కా
Impatiens balsamina (గోరింట) విత్తనపు కాయ పండినప్పుడు, కొంచెం తాకినా అది పగిలిపోతుంది: దాని పొరలు క్షణంలో లోపలికి ముడుచుకుపోయి విత్తనాలను విసిరేస్తాయి. సంబంధిత జాతుల్లో, విత్తనాలు సెకనుకు సుమారు 1 నుంచి 4 మీటర్ల వేగంతో బయలుదేరుతాయి. సూత్రం ఒక గొళ్లెం వేసిన స్ప్రింగ్ (latched spring): వంగిన పొరలు స్థితిస్థాపక శక్తిని నిల్వ చేసుకుంటాయి, చుట్టూ ఉన్న కణజాలం గొళ్లెంలా పనిచేస్తుంది. గొళ్లెం విడిపోతే, నిల్వ ఉన్న శక్తే పని అంతా చేస్తుంది.
మూడు భాగాలు
క్యాప్సూల్ ఈ నమూనాను మూడు భాగాలతో అనుకరిస్తుంది:
- ఒక మెత్తని సిలికాన్ గుమ్మటం, కూర్పు సమయంలో లోపలికి తిప్పినది — అదే స్ప్రింగ్;
- ఒక 3D ముద్రిత ప్లాస్టిక్ అడుగు భాగం, 8 మిల్లీమీటర్ల వ్యాసం, 5 మిల్లీమీటర్ల ఎత్తు గల ఒక స్థూపం, రోబోల కోసం ఒక చిన్న గదితో;
- జెలటిన్, కేరజీనన్, ఐరన్ ఆక్సైడ్ నానోకణాలతో చేసిన ఒక జెల్ ఉంగరం — అదే గొళ్లెం.
ఒక ప్రత్యావర్తన అయస్కాంత క్షేత్రం (alternating magnetic field) కింద, నానోకణాలు జెల్‌ను వేడి చేస్తాయి. అది మెత్తబడి లోపలి నుంచి చిరిగిపోతుంది, గుమ్మటం తిరిగి తన ఆకారంలోకి వస్తుంది, క్యాప్సూల్ పగిలి తెరుచుకుంటుంది. స్వచ్ఛమైన జెలటిన్ 30 నుంచి 36 °C మధ్య కరిగిపోతుంది, ఇది శరీర ఉష్ణోగ్రతకు చాలా దగ్గర; కేరజీనన్ కలపడం వల్ల జెల్ 37 °C వద్ద గట్టిగా ఉంటుంది, 51.6 °C వద్ద ద్రవంగా మారుతుంది.
స్ప్రింగ్‌ను సరిగ్గా తీర్చిదిద్దడం
కష్టమైన భాగం యాంత్రికమైనది. లోపలికి తిప్పిన గుమ్మటం ద్విస్థిరమైనది (bistable) కావచ్చు — ఒకసారి నొక్కితే తిరగబడిన స్థితిలోనే ఉండిపోవడం — అప్పుడు అది మళ్లీ ఎప్పటికీ తెరుచుకోదు. అది ఏకస్థిరమైనది (monostable) కావాలి, ఎప్పుడూ వెనక్కి దూకాలి. కానీ మరీ గట్టి గుమ్మటం ప్రేరణకు ముందే జెల్‌ను చింపేస్తుంది. కంప్యూటర్ సిమ్యులేషన్ల సాయంతో, బృందం ఏ ఆకారాలు ద్విస్థిరమైనవో, ఏవి ఏకస్థిరమైనవో మ్యాప్ చేసింది, గుమ్మటాన్ని అతికించడానికి వాడే కాలర్ దాన్ని ద్విస్థిరత వైపు నెడుతుందని కనుగొంది, కాబట్టి గుమ్మటం పాఠ్యపుస్తకంలోని కర్పరం (shell) కంటే మందంగా ఉండాలి. వారి తుది గుమ్మటం: 5 మిల్లీమీటర్ల అర్ధ-విస్తారంపై 2.6 మిల్లీమీటర్ల ఎత్తు, 1.5 మిల్లీమీటర్ల మందం. పట్టకారుతో విడుదల చేసినప్పుడు, అలాంటి గుమ్మటం సెకనుకు 1.21 మీటర్ల వేగంతో ఎగిరిపోయి, 100 మిల్లీసెకన్లలోపే పూర్తిగా విడిపోతుంది.
ముద్రిత ట్రాక్ నుంచి పంది జీర్ణాశయం వరకు
పూర్తి పరీక్షలో, ఒక అయస్కాంతం మూసి ఉన్న క్యాప్సూల్‌ను 3D ముద్రిత ట్రాక్ వెంట సుమారు 70 సెకన్లలో దాని లక్ష్యానికి జరుపుతుంది. ఆ తర్వాత ప్రత్యావర్తన క్షేత్రం జెల్‌ను సుమారు 20 నుంచి 41 °C వరకు వేడి చేస్తుంది. జెల్ మెత్తబడిన తర్వాత 50 మిల్లీసెకన్లలోపే క్యాప్సూల్ తెరుచుకుంటుంది, రోబోలు సెకనుకు సుమారు 1.0 మీటరు వేగంతో బయటకు విసిరివేయబడతాయి — విత్తనాల వేగ పరిధిలో దిగువ అంచు. ఆ తర్వాత ఒక అయస్కాంతం వాటిని ఎంచుకున్న చోట్లకు చేర్చుతుంది. ఇక్కడ “రోబోలు” అంటే అయస్కాంత ఎలాస్టోమర్ చిన్న ముక్కలు.
శరీరం బయట ఉంచిన పంది జీర్ణాశయంపై, కణజాలం మీదుగా నడిపిస్తున్నంతసేపూ క్యాప్సూల్ మూసుకునే ఉంది, ఆదేశం ఇవ్వగానే తెరుచుకుంది. మెత్తని, జిగటగా ఉండే కణజాలం శక్తిలో కొంత భాగాన్ని గ్రహించింది: మొదట్లో బయటకు విసిరే వేగం సెకనుకు సుమారు 0.5 మీటరుకు పడిపోయింది. విడుదలైన రోబోలను అయినా ఉపరితలం మీదుగా నడిపించగలిగారు. తలకిందులుగా ఉంచినప్పుడు, క్యాప్సూల్ ఏమీ విసిరేయకుండా మెల్లగా తెరుచుకుంటుంది, అయస్కాంతం రోబోలను బయటకు లాగుతుంది — ఇది మరింత సున్నితమైన విధానం.
ఇంకా మిగిలి ఉన్నవాటిని రచయితలు జాబితా చేస్తున్నారు: బతికున్న జంతువుపై ఎలాంటి పరీక్షా లేదు, జీర్ణాశయ ఆమ్లం, జీర్ణ ద్రవాల్లో జెల్ ప్రవర్తన తెలియదు, మరింత బలమైన జెల్ అయితే మరింత అధిక ఉష్ణోగ్రత వద్దే కరుగుతుంది. వారిలో నలుగురు — మావో, జాంగ్, చెన్, షియావో — ఈ క్యాప్సూల్‌పై పేటెంట్ దరఖాస్తు దాఖలు చేశారు.