Новый микроробот выполняет пять медицинских задач под управлением слабого магнитного поля
Исследователи из Наньянского технологического университета (NTU) в Сингапуре разработали хирургического робота размером с семечко, который способен переключаться между пятью различными функциями менее чем за секунду. Эта инновация открывает новые возможности для проведения малоинвазивных медицинских процедур.
Длина робота составляет всего 4,4 миллиметра, а управление им осуществляется беспроводным способом с использованием слабых магнитных полей. Несмотря на свои крошечные размеры, устройство может перемещаться по мягким поверхностям, резать биологические ткани, высвобождать лекарственные препараты, захватывать и хранить образцы тканей, а также дистанционно генерировать тепло. Ученые утверждают, что их разработка решает давнюю проблему в области миниатюрной робототехники: объединение множества функций в одном крошечном роботе без потери контроля и маневренности. Команда продемонстрировала возможности робота в лабораторных экспериментах с использованием биологических тканей и моделей мягких тканей, показав, что он может выполнять несколько медицинских задач, перемещаясь в сложных условиях.
В отличие от большинства миниатюрных магнитных роботов, которые могут выполнять только одну или две задачи, устройство NTU способно быстро переключаться между несколькими инструментами. Доцент Лум Го Чан, руководивший исследованием, отметил, что большинство подобных магнитных роботов могут выполнять лишь одну или две функции, тогда как их новейшее изобретение способно на пять. Долгосрочная цель ученых заключается в том, чтобы врачи могли использовать этих мини-роботов внутри тела, направлять их к целевой области и проводить лечение. Робот изготовлен из мягких материалов на основе силикона, известных как PDMS и Ecoflex. По всей структуре устройства распределены микроскопические магнитные частицы, реагирующие на внешние магнитные поля. В основе системы лежит магнитный модуль, который может быть намагничен, размагничен и перемагничен в разных направлениях. Каждая магнитная ориентация активирует определенную функцию, позволяя одному и тому же роботу по требованию использовать различные инструменты.
Исследователи также сконструировали различные области робота таким образом, чтобы они независимо реагировали на магнитные сигналы. Это позволяет избежать распространенного ограничения, при котором все устройство движется как единый магнит. Кроме того, в конструкции реализована шестая степень свободы, известная как вращение, позволяющая роботу крутиться вокруг своей длинной оси. Это добавочное движение обеспечивает лучший контроль при перемещении по узким и неровным пространствам, подобным тем, что встречаются внутри человеческого тела.
Для оценки эффективности команда испытала робота на куриной печени и материалах на основе желатина, имитирующих мягкие биологические ткани. Робот успешно разрезал ткань, высвобождал частицы, имитирующие лекарства, собирал и хранил образцы тканей, а также генерировал локальный нагрев с помощью магнитной индукции. Исследователи отметили, что возможность нагрева может быть использована для магнитной гипертермии — подхода, изучаемого для лечения рака. Команда также оценила безопасность материалов, подвергнув их воздействию на клетки кожи человека. Более 99 процентов клеток остались жизнеспособными после воздействия, что указывает на низкую токсичность в лабораторных условиях.
В настоящее время ученые изучают, как робота можно интегрировать с системами медицинской визуализации, датчиками и моделями искусственных органов. Они также работают с хирургами, чтобы понять, как подобные системы могут быть вписаны в будущие клинические протоколы. Как отметил Лум, для того чтобы эти роботы приблизились к практическому использованию, необходимо понимать не только то, как они работают в лаборатории, но и как ими можно управлять, отслеживать и контролировать в реалистичных медицинских условиях.
Исследование в журнале Advanced Materials.