金でコーティングされた小さな、いわゆるマイクロスイマーは、機械学習システムで制御されるレーザーシステムを使用して液体中を移動させることができます。科学者たちは、この技術が将来、何らかの形で人体内に薬物を輸送するために使用されることを期待しています。
一部の専門家は、感知や遊泳といった基本的なタスクを実行できる小型デバイスを扱う研究分野であるナノメディシンが、薬物送達や手術といった分野で大きな可能性を秘めていると考えています。しかし、最大の課題の一つは、これらのロボットをペトリ皿や人体に入れた後、どのように制御するかということです。
液体中のこのような小さな装置は、他の粒子との衝突によってランダムな方向に押し出されるため（ブラウン運動と呼ばれる）、制御が困難です。そのため、実験室では磁石や電気パルスを用いて手動で制御する必要があることがよくあります。しかし、ドイツのライプツィヒ大学を率いる研究チームは、レーザーを用いることでこのプロセス全体を自動化できると考えています。
Science Robotics誌に掲載された論文で報告された実験では、直径約2.18マイクロメートル、厚さ8ナノメートルの金でコーティングされたマイクロスイマーが、微小な溶液滴の中で操作された。このマイクロスイマーは、レーザー光線を用いて上下左右、斜めなど8方向に推進することができた。
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レーザーからの熱は金に吸収され、マイクロスイマーの片側がもう片側よりも高温になります。この温度差によって圧力の不均衡が生じ、スイマーは特定の方向へ推進されます。入射するレーザーパルスの方向に応じて、粒子はどちらかの方向に動かされます。研究者たちは、レーザーバーストを用いてスイマーを目的の場所に誘導する方法を学習させる強化学習アルゴリズムを訓練しました。
「トレーニングとは、サンプル内の粒子の動きとそれに対応する動作をレーザーで制御することです」と、論文の共著者であり、ライプツィヒ大学の分子光子グループの責任者であるフランク・チコス教授はThe Registerに語った。
まずはコードで、そして現実世界で
マイクロスイマーの動きはまずソフトウェアでモデル化され、特定の領域へ泳ぐよう仮想的に指示され、目標に近づくと報酬が、遠ざかるとペナルティが与えられます。時間の経過とともに、マイクロスイマーはブラウン運動に逆らって泳ぎ、可能な限り効率的に特定の場所に到達する方法を学習します。
実際のマイクロスイマーでこのアルゴリズムを実行するには、金メッキ粒子の動きを顕微鏡で追跡し、ソフトウェアに入力する必要があります。強化学習アルゴリズムはデバイスの動きを予測し、その出力を用いてレーザーの方向を制御してデバイスを泳がせます。
これらはすべてリアルタイムで起こっているので、粒子はサンプルを探索し、顕微鏡とコンピュータが粒子の動きを「見て」、粒子が何をすべきかを決定します。
「アルゴリズムはコンピューター上で実行される強化学習技術を使用してレーザーを動かし、粒子を制御します」とシコス教授は述べた。
「これはすべてリアルタイムで起こっているので、粒子がサンプルを探索し、顕微鏡とコンピューターが粒子の動きを『見て』、強化学習アルゴリズムに従って粒子が何をすべきかを決定します。」
この研究はまだ概念実証段階であり、マイクロスイマーを数マイクロメートルの距離移動させるようソフトウェアを訓練するのに数時間かかります。この研究を静脈や臓器内の血液中の微小ナノボットの移動に適用するには、新たな課題も生じます。レーザーが皮膚を透過して（理想的には無害に）微小粒子に到達できる必要があるだけでなく、マイクロスイマーは血圧などの他の要因にも対処しなければなりません。
「薬物送達は確かに興味深い応用になるだろう」と教授は語った。
「そのためには、もしそのような能動的な粒子に何らかの知性を持たせ、外部からの制御を必要としないことができれば素晴らしいでしょう。これはまさに、この分野の科学者が抱く夢の一つです。」
「まだ道のりは長いと思います。科学者たちは、体内だけでなく環境への応用も視野に入れた活性粒子の開発を模索しています。次のステップでは、例えば何らかの外部制御や内部制御を追加する必要があるでしょう。私たちが用いた適応アルゴリズムでそれらを制御するためには、推進機構の制御と何らかの画像化技術が必要です。光は遠隔制御には確かに有効ですが、体内深くまで到達する必要がある場合、限界があります。」®
