Швидше за все, ви не уявляли собі такого хірургічного робота, який може рухатися, розрізати тканини, вивільняти ліки, захоплювати та зберігати зразки, а також бездротовим способом генерувати тепло, та який вміститься у вас на руці. Проте, вчені створили робота «5 в 1», який розміщується прямо на кінчику пальця!
Цей надмініатюрний робот, розроблений в Наньянському технологічному університеті (NTU) в Сінгапурі, має довжину всього 4,4 мм (0,17 дюйма) і може повзати по м'яких тканинах, розрізати біологічний матеріал, вивільняти ліки, збирати зразки тканин і навіть генерувати терапевтичне тепло за потреби. Що найцікавіше, він може перемикатися між цими п'ятьма функціями менш ніж за секунду, і це без проводів, вбудованої електроніки або батарей.
Робот є нещодавньою розробкою в області магнітної медичної робототехніки, що швидко розвивається, де дослідники використовують зовнішні магнітні поля для управління мініатюрними пристроями всередині тіла. Ці системи широко розглядаються як потенційна майбутня альтернатива деяким видам малоінвазивної хірургії, що дозволяє проводити процедури у важкодоступних місцях без великих розрізів або громіздких хірургічних інструментів.
Одне з обмежень у цій галузі полягає в тому, що більшість магнітних мікророботів є спеціалізованими. Один робот може бути призначений для транспортування ліків, а інший для збору тканин. Об'єднання безлічі можливостей в одному пристрої виявилося досить складним завданням, оскільки магнітні поля, як правило, впливають на всього робота одночасно. Коли одна секція рухається, інші часто рухаються разом із нею.
Саме цю проблему, за словами команди із NTU, вони вирішили після семи років роботи.
"Більшість подібних магнітних роботів можуть виконувати лише одну або дві функції. Наш останній винахід тепер може виконувати п'ять, і наша довгострокова мета — дати лікарям можливість використовувати цих мініроботів в організмі, спрямовувати їх у потрібне місце та застосовувати для проведення процедур", — каже Лум Го Чжан, керівник групи та піонер у галузі м'якої мініатюрної робототехніки.
В основі їх робота лежить перепрограмований магнітний модуль, який може намагнічуватись, розмагнічуватись та намагнічуватись у різних напрямках. Кожна магнітна орієнтація фактично відкриває різні режими роботи, такі як рух або різання.
Дослідники також сконструювали різні області робота таким чином, щоб вони по-різному реагували на те саме магнітне поле. Замість поводитися як єдиний магніт, окремі ділянки можуть вибірково активуватися, тоді як інші залишаються незмінними. Цей рівень незалежного управління є одним із ключових технічних досягнень проєкту.
Сам робот виготовлений з м'яких силіконових матеріалів, які зазвичай використовуються в м'якій робототехніці, включаючи PDMS і Ecoflex. У ці матеріали вбудовані мікроскопічні магнітні частинки розміром приблизно 5 мікрометрів. Ретельно контролюючи розташування та намагнічування цих частинок, дослідники можуть дистанційно керувати роботом, використовуючи відносно слабкі магнітні поля, що створюються зовнішніми котушками.
В результаті вийшов малесенький, потенційно потужний робот, схожий на швейцарський армійський ніж.
Тепер про його можливості. У режимі різання пристрій може висувати крихітне лезо, яке розрізає біологічну тканину. У режимі біопсії захватний пристрій захоплює та зберігає зразки тканини для подальшого аналізу, що потенційно дозволяє лікарям проводити біопсію у важкодоступних місцях. У режимі доставляння ліків робот вивільняє завантажені препарати в дуже точних місцях тіла.
У четвертому режимі нагріву робот генерує локальне тепло за впливом високочастотного змінного магнітного поля. Ця можливість нагрівання може підтримати магнітну гіпертермію — експериментальну терапію раку, яка використовує тепло для пошкодження або руйнування пухлин, мінімізуючи при цьому шкоду навколишнім тканинам.
П'ята та остання функція робота, мабуть, найважливіша: рух. Рух — ще одна область, де технологія відрізняється від багатьох наявних мініатюрних роботів. Більшість магнітних мікророботів працюють з п'ятьма ступенями свободи, дозволяючи рух уздовж трьох осей та обертання у двох напрямках. Робот NTU вводить шостий ступінь свободи шляхом обертального руху, дозволяючи йому обертатися навколо своєї поздовжньої осі. Додаткова маневровість може бути корисною при переміщенні у вузьких, нерівних та часто слизьких просторах усередині людського тіла.
На відміну від деяких недавніх концепцій м'яких роботів, що нагадують згустки слизу або краплі рідини, конструкція NTU зберігає міцну, але гнучку структуру. Дослідники стверджують, що це робить його більш надійним та потенційно полегшує вилучення після процедури, що є важливим фактором для будь-якого майбутнього клінічного застосування.
Для оцінки його можливостей команда протестувала робота на моделях тканин на основі желатину та курячої печінки. У ході лабораторних експериментів він успішно розрізав тканини, доставляв частинки, що імітують лікарські препарати, збирав зразки тканин та генерував локальне нагрівання.
Дослідники також вивчили біосумісність матеріалів робота, використовуючи культивовані клітини шкіри людини. Більше ніж 99% клітин залишалися життєздатними після дії, що свідчить про те, що матеріали значною мірою нетоксичні у лабораторних умовах.
Тепер про реальність. Технологія нині далека від клінічного застосування. Сьогоднішній прототип працює у лабораторії з використанням зовнішніх магнітних котушок, а не всередині живих пацієнтів. Він також не є автономним. Лікарі зрештою повинні будуть направляти та контролювати робота, а не дозволяти йому самостійно пересуватися по тілу. Однак це звучить скоріше як плюс, ніж мінус.
Проте проєкт може виявитися фантастичним для малоінвазивної медицини. Замість введення безлічі інструментів через хірургічні розрізи або катетери, майбутні лікарі зможуть використовувати єдину мініатюрну роботизовану платформу, здатну виконувати діагностику, лікування, забір зразків та терапію за одну процедуру.
Начебто виняткової концепції «5 в 1» недостатньо, команда зараз вивчає, як майбутні версії можуть бути інтегровані з технологіями візуалізації, сенсорними системами та клінічно реалістичними моделями штучних органів, які більш точно імітують фізичну поведінку людських тканин. Вони також співпрацюють з хірургами, щоб зрозуміти, як мініроботизовані системи зрештою можуть вписатися в реальні клінічні робочі процеси.
