Czy mini roboty pojawią się w najbliższym szpitalu?

Mary Brophy Marcus

2 sierpnia 2022 - Wyobraź sobie, że jesteś wożony na salę operacyjną, gdzie czeka na ciebie zespół chirurgiczny - chirurg, anestezjolog i ... malutki robot krab.

Naukowcy z Northwestern University zbudowali super-małego kraba-robota, który pewnego dnia mógłby wykonywać delikatne zadania chirurgiczne - wchodzić do twojego ciała, aby zszywać małe, pęknięte tętnice, oczyszczać zatkane tętnice lub namierzać guzy nowotworowe.

Sześcionożny, szeroki na pół milimetra krab peekytoe, opisany w najnowszym wydaniu Science Robotics, jest najmniejszym na świecie zdalnie sterowanym robotem kroczącym. Może się zginać, skręcać, chodzić i skakać, a sterowany jest za pomocą zdalnie sterowanego lasera.

Jest to jedno z najnowszych osiągnięć w trwających od dekady badaniach, których celem jest stworzenie miniaturowych maszyn do wykonywania praktycznych zadań w trudno dostępnych miejscach. Ten syntetyczny skorupiak i inne "mikroroboty" mogą pomóc zespołom chirurgicznym wcześniej niż myślisz, dzięki postępom w dziedzinie robotyki i materiałoznawstwa. Ale co musi się wydarzyć, zanim ta przyszłość stanie się rzeczywistością?

Jak powstaje robot krab

Stworzenie robota-kraba wielkości pchły jest "całkiem proste", mówi inżynier bioelektroniki, dr John Rogers, który kierował badaniami. "Składa się z trzech rodzajów materiałów: polimeru, stopu z pamięcią kształtu i szkła".

Polimer, materiał przypominający plastik, jest używany w mikroelektronice. Drugi składnik, stop metalu z pamięcią kształtu, jest połączony z polimerem, aby stworzyć stawy i nogi. Trzeci komponent to cienka powłoka szkła nałożona na całą zewnętrzną część ciała robota.

"Szkło zapewnia egzoszkielet. Nadaje sztywność całemu korpusowi robota" - mówi Rogers.

Operator robota kieruje laser w określone miejsce na krabie, uruchamiając mechanizm termiczny, który wprawia robota w ruch.

"Świecąc na określone kończyny, możemy stworzyć specyficzny chód" - mówi Rogers, wyjaśniając, że ciepło "rozkłada" kraba. Kiedy robot się schładza, wraca do swojego pierwotnego kształtu. To składanie i rozkładanie tworzy lokomocję - krab chodzi.

Rogers przypisuje swoim studentom wybór kraba - podobał im się sposób, w jaki poruszał się na boki - ale mówi, że każde stworzenie mogłoby być prawdopodobnie mniejsze.

Jak wykorzystamy maleńkie roboty w medycynie?

Chociaż Rogers nie chce zbyt mocno sprzedawać żadnego konkretnego zastosowania medycznego, najbardziej obiecujące dla tej technologii wydają się zastosowania chirurgiczne. Do wykorzystania w głębi ludzkiego ciała, Rogers mówi, "prawdopodobnie potrzebny byłby pływak - jak ryba. Są inne grupy pracujące nad pływakami".

Renee Zhao, PhD, asystent profesora inżynierii mechanicznej na Uniwersytecie Stanforda, jest jednym z takich naukowców. W nowym artykule Nature Communications, ona i jej koledzy donoszą o ich "bezprzewodowym, amfibijnym origami millirobocie z funkcją wirowania". (Powiedz to pięć razy szybko.)

Mini robot - wielkości zbliżonej do opuszka palca - wygląda jak mały cylinder i posiada inspirowany origami wzór, który skręca się i zapina. Ślizga się po lepkiej cieczy oraz po śliskich powierzchniach i masach (takich jak ludzkie organy), tocząc się, obracając i wirując z pomocą zdalnego magnesu. Składanie i rozkładanie cylindra służy jako mechanizm pompujący i może być wykorzystane do ukierunkowanego dostarczania płynnych leków. Może on na przykład przenosić leki do organizmu, aby pomóc zatrzymać krwawienie wewnętrzne, mówi Zhao.

"Ulepszamy system poprzez dalsze zmniejszanie jego rozmiarów do zastosowań biomedycznych w węższych środowiskach, takich jak w naczyniach krwionośnych", mówi.

W swojej pracy Zhao i jej współautorzy zauważają również, że mini kamery i mini kleszcze mogłyby być umieszczone w millirobotach, aby wykonywać endoskopię i procedury biopsyjne, co w teorii może nieść mniejsze ryzyko dla pacjentów niż obecne techniki.

Ale podczas etapu projektowania robota było wiele prób i błędów, mówi Zhao.

"Najtrudniejszą częścią jest uzyskanie optymalnej wydajności pływania", mówi, ponieważ gęstość robota musi być bardzo zbliżona do gęstości cieczy, w której "pływa".

Co dalej

W tej chwili robot amfibijny Zhao jest jeszcze w fazie prób, które poprzedzają testy na zwierzętach. Jeśli przejdzie przez te przeszkody, zostanie poddany badaniom klinicznym na ludziach.

Oznacza to, że prawdopodobnie miną lata, zanim pływające cylindry - lub roboty-kraby - będą pomagać zespołom kardiochirurgicznym lub zszywać narządy.

"To są prace rozpoznawcze na wczesnym etapie" - mówi Rogers. "Staramy się wprowadzić pomysły jako część szerszej społeczności badaczy realizujących technologie mikrorobotyczne, z nadzieją, że z czasem technologie te ostatecznie doprowadzą do praktycznych zastosowań klinicznych w celach chirurgicznych. Jest to w dużej mierze punkt wyjścia."