Придут ли мини-роботы в ближайшую больницу?

Мэри Брофи Маркус

2 августа 2022 г. — Представьте, что вас везут в операционную, где вас ожидает хирургическая бригада — хирург, анестезиолог и… крошечный робот-краб.

Ученые Северо-Западного университета создали сверхмаленького робота-краба, который в один прекрасный день сможет выполнять тонкие хирургические задачи — проникать в ваше тело, чтобы сшить мелкие, разорванные артерии, очистить закупоренные артерии или обнаружить раковые опухоли.

Шестиногий краб peekytoe шириной в полмиллиметра, описание которого было опубликовано в недавнем выпуске журнала Science Robotics, является самым маленьким в мире дистанционно управляемым шагающим роботом. Он может сгибаться, поворачиваться, ходить и прыгать и управляется с помощью дистанционно управляемого лазера.

Это одно из новейших достижений в исследованиях, продолжавшихся в течение десятилетия и направленных на создание миниатюрных машин для выполнения практической работы в труднодоступных местах. Это синтетическое ракообразное и другие «микророботы» могут помочь хирургическим бригадам раньше, чем вы думаете, благодаря достижениям в робототехнике и материаловедении. Но что должно произойти, чтобы это будущее стало реальностью?

Создание робота-краба размером с блоху «довольно просто», — говорит инженер по биоэлектронике Джон Роджерс, доктор философии, возглавлявший исследование. «Он состоит из трех типов материалов: полимера, сплава с памятью формы и стекла».

Полимер, похожий на пластик материал, используется в микроэлектронике. Второй компонент, металлический сплав с памятью формы, соединяется с полимером, образуя суставы и ноги. Третий компонент — тонкое покрытие из стекла, нанесенное на всю внешнюю поверхность тела робота.

«Стекло обеспечивает экзоскелет. Оно придает жесткость всему телу робота», — говорит Роджерс.

Оператор робота направляет лазер на определенное место на крабе, запуская тепловой механизм, который заставляет робота двигаться.

«Светя лазером на определенные конечности, мы можем создать определенную походку», — говорит Роджерс, объясняя, что тепло «разворачивает» краба. Когда робот остывает, он возвращается к своей первоначальной форме. Это складывание и раскладывание создает локомоцию — краб ходит».

Роджерс приписывает своим студентам выбор краба — им понравилось, как он передвигается боком, — но он говорит, что любое существо можно сделать меньше.

Хотя Роджерс не решается слишком настойчиво рекламировать какое-либо конкретное медицинское применение, наиболее перспективным для этой технологии представляется хирургическое применение. Для использования глубоко внутри человеческого тела, говорит Роджерс, «вам, вероятно, понадобится пловчиха — как рыба». Есть и другие группы, работающие над пловцами».

Рене Чжао, доктор философии, доцент кафедры машиностроения Стэнфордского университета, является одним из таких ученых. В новой статье в журналеNature Communications она и ее коллеги сообщают о своем «беспроводном амфибийном оригами-миллироботе с функцией вращения». (Повторите это пять раз быстро.)

Мини-робот — размером с кончик пальца — выглядит как крошечный цилиндр и имеет рисунок в стиле оригами, который скручивается и закручивается. Он скользит по вязкой жидкости, по скользким поверхностям и массам (таким как человеческие органы), катится, переворачивается и вращается с помощью выносного магнита. Складывание и раскладывание цилиндра служит насосным механизмом и может быть использовано для адресной доставки жидкого лекарства. Например, он может доставлять лекарства в организм, чтобы помочь остановить внутреннее кровотечение, говорит Чжао.

«Мы совершенствуем систему, еще больше уменьшая ее размеры для биомедицинского применения в более узких средах, например, в кровеносных сосудах», — говорит она.

В своей статье Чжао и ее соавторы также отмечают, что в миллироботов можно установить мини-камеры и мини-пинцеты для проведения эндоскопии и биопсии, что теоретически может быть связано с меньшим риском для пациентов по сравнению с существующими методами.

Но на этапе разработки робота было много проб и ошибок, говорит Чжао.

«Самое сложное — оптимизировать плавательные характеристики», — говорит она, поскольку плотность робота должна быть очень близка к плотности жидкости, в которой он «плавает».

В настоящее время робот-амфибия Чжао все еще находится на стадии испытаний, которые предшествуют тестированию на животных. Если он преодолеет эти препятствия, его изучат в клинических испытаниях на людях.

Это означает, что пройдут годы, прежде чем плавающие цилиндры — или роботы-крабы, если на то пошло, — будут помогать кардиохирургическим бригадам или накладывать швы на органы.

«Это исследовательская работа на ранней стадии», — говорит Роджерс. «Мы пытаемся представить идеи как часть более широкого сообщества исследователей, занимающихся разработкой микророботизированных технологий, в надежде, что со временем эти технологии приведут к практическому клиническому применению в хирургических целях. Это очень похоже на отправную точку».