2. August 2022 – Stellen Sie sich vor, Sie werden in den Operationssaal gefahren, wo Ihr OP-Team auf Sie wartet – der Chirurg, der Anästhesist und … ein winziger Roboterkrebs.
Wissenschaftler der Northwestern University haben eine superkleine Roboterkrabbe gebaut, die eines Tages heikle chirurgische Aufgaben ausführen könnte – in Ihren Körper eindringen, um kleine, gerissene Arterien zu nähen, verstopfte Arterien zu reinigen oder Krebstumore aufzuspüren.
Die sechsbeinige, einen halben Millimeter breite Peekytoe-Krabbe, beschrieben in einer kürzlich erschienenen Ausgabe von Wissenschaftliche Robotik, ist der kleinste ferngesteuerte Laufroboter der Welt. Es kann sich biegen, drehen, laufen und springen und wird mit einem ferngesteuerten Laser betrieben.
Es ist einer der neuesten Fortschritte in der Forschung, der sich über ein Jahrzehnt erstreckt und darauf abzielt, Miniaturmaschinen zu entwickeln, um praktische Arbeiten an schwer zugänglichen Orten zu erledigen. Dank Fortschritten in der Robotik und Materialwissenschaft könnten dieses synthetische Krebstier und andere „Mikroroboter“ chirurgischen Teams schneller helfen, als Sie denken. Doch was muss passieren, bevor diese Zukunft Realität wird?
Die Herstellung einer Roboterkrabbe
Eine flohgroße Roboterkrabbe herzustellen, ist „ziemlich einfach“, sagt der Bioelektronik-Ingenieur John Rogers, PhD, der die Forschung leitete. „Es besteht aus drei Arten von Materialien: einem Polymer, einer Formgedächtnislegierung und Glas.“
Das Polymer, ein kunststoffähnliches Material, wird in der Mikroelektronik verwendet. Die zweite Komponente, die Metalllegierung mit Formgedächtnis, wird mit dem Polymer verbunden, um die Gelenke und Beine zu bilden. Die dritte Komponente ist eine dünne Glasschicht, die auf die gesamte Außenseite des Roboterkörpers aufgetragen wird.
„Das Glas stellt ein Exoskelett dar. Es verleiht dem gesamten Körper des Roboters Steifigkeit“, sagt Rogers.
Der Bediener des Roboters richtet einen Laser auf eine bestimmte Stelle auf der Laufkatze und löst einen thermischen Mechanismus aus, der den Roboter in Bewegung versetzt.
„Indem wir es auf bestimmte Gliedmaßen richten, können wir einen bestimmten Gang erzeugen“, sagt Rogers und erklärt, dass die Hitze die Krabbe „entfaltet“. Wenn der Roboter abkühlt, nimmt er wieder seine ursprüngliche Form an. Dieses Falten und Entfalten erzeugt Fortbewegung – die Krabbe geht.
Rogers schreibt seinen Schülern zu, dass sie sich für die Krabbe entschieden haben – sie mochten die Art und Weise, wie sie seitwärts rutschte –, aber er sagt, dass wahrscheinlich jede Kreatur kleiner gemacht werden könnte.
Wie werden wir winzige Roboter in der Medizin einsetzen?
Während Rogers zögert, eine bestimmte medizinische Anwendung zu stark zu verkaufen, scheinen chirurgische Anwendungen für diese Technologie am vielversprechendsten zu sein. Für die Verwendung tief im menschlichen Körper, sagt Rogers, „wünschen Sie sich wahrscheinlich einen Schwimmer – wie einen Fisch. Es gibt andere Gruppen, die an Schwimmern arbeiten.“
Renee Zhao, PhD, Assistenzprofessor für Maschinenbau an der Stanford University, ist einer dieser Wissenschaftler. In einem neuenNaturkommunikationArtikel, Sie und ihre Kollegen berichten über ihren „spinning-enabled wireless amphibious origami millirobot“. (Sag das fünfmal schnell.)
Der Mini-Roboter – näher an der Größe einer Fingerspitze – sieht aus wie ein winziger Zylinder und weist ein Origami-inspiriertes Muster auf, das sich dreht und krümmt. Es gleitet durch viskose Flüssigkeiten und über glatte Oberflächen und Massen (wie menschliche Organe), rollt, dreht und dreht sich mit Hilfe eines entfernten Magneten. Das Auf- und Zuklappen des Zylinders dient als Pumpmechanismus und kann zur gezielten Abgabe eines flüssigen Medikaments genutzt werden. Es könnte zum Beispiel Medikamente in den Körper transportieren, um innere Blutungen zu stoppen, sagt Zhao.
„Wir verbessern das System, indem wir es für biomedizinische Anwendungen in engeren Umgebungen wie in Blutgefäßen weiter verkleinern“, sagt sie.
In ihrer Arbeit stellen Zhao und ihre Co-Autoren auch fest, dass Minikameras und Minipinzetten in die Milliroboter eingesetzt werden könnten, um Endoskopie- und Biopsieverfahren durchzuführen, die theoretisch ein geringeres Risiko für Patienten bergen könnten als aktuelle Techniken.
Aber während der Designphase des Roboters gab es viel Versuch und Irrtum, sagt Zhao.
„Das Schwierigste ist, eine optimierte Schwimmleistung zu erzielen“, sagt sie, denn die Dichte des Roboters muss sehr nahe an der Dichte der Flüssigkeit liegen, in der er „schwimmt“.
Was kommt als nächstes
Derzeit befindet sich der Amphibienroboter von Zhao noch in der Erprobungsphase vor Tierversuchen. Wenn es diese Hürden überwindet, wird es in klinischen Studien am Menschen untersucht.
Das bedeutet, dass es wahrscheinlich Jahre dauern wird, bis Schwimmzylinder – oder Roboterkrabben – Herzchirurgieteams helfen oder Organe nähen.
„Dies ist eine frühe Sondierungsarbeit“, sagt Rogers. „Wir versuchen, Ideen als Teil einer breiteren Gemeinschaft von Forschern einzubringen, die Mikrorobotertechnologien verfolgen, in der Hoffnung, dass diese Technologien im Laufe der Zeit letztendlich zu praktischen klinischen Anwendungen für chirurgische Zwecke führen werden. Es ist sehr viel ein Ausgangspunkt.“