Komen er minirobotten naar een ziekenhuis bij u in de buurt?
Door Mary Brophy Marcus
2 aug. 2022 - Stel je voor dat je de operatiekamer in wordt gereden waar je chirurgisch team wacht - de chirurg, de anesthesist en ... een kleine robotkrab.
Wetenschappers van de Northwestern University hebben een superkleine robotkrab gebouwd die op een dag delicate chirurgische taken zou kunnen uitvoeren - uw lichaam binnengaan om kleine, gescheurde slagaders te hechten, verstopte slagaders vrij te maken of kankergezwellen op te sporen.
De zespotige, een halve millimeter brede peekytoe-krab, beschreven in een recente uitgave van Science Robotics, is 's werelds kleinste op afstand bediende lopende robot. Hij kan buigen, draaien, lopen en springen en wordt bediend met een op afstand bediende laser.
Het is een van de nieuwste ontwikkelingen in tien jaar onderzoek naar miniatuurmachines voor praktische klussen op moeilijk bereikbare plaatsen. Dit synthetische schaaldier en andere "microrobots" kunnen chirurgische teams sneller helpen dan u denkt, dankzij de vooruitgang in robotica en materiaalkunde. Maar wat moet er gebeuren voordat deze toekomst werkelijkheid wordt?
Het maken van een robotkrab
Het maken van een robotkrab ter grootte van een vlo is "vrij eenvoudig", zegt bio-elektronicus John Rogers, PhD, die het onderzoek leidde. "Het bestaat uit drie soorten materialen: een polymeer, een vormvaste legering en glas."
Het polymeer, een plasticachtig materiaal, wordt gebruikt in de micro-elektronica. De tweede component, de metaallegering met vormgeheugen, is verbonden met het polymeer om de gewrichten en benen te vormen. De derde component is een dunne laag glas die op de gehele buitenkant van het robotlichaam wordt aangebracht.
"Het glas zorgt voor een exoskelet. Het geeft stijfheid aan het totale lichaam van de robot," zegt Rogers.
De robotbestuurder richt een laser op een specifieke plek op de krab, waardoor een thermisch mechanisme in werking treedt dat de robot doet bewegen.
"Door op bepaalde ledematen te schijnen, kunnen we een specifieke gang creëren," zegt Rogers, die uitlegt dat de warmte de krab "ontvouwt". Als de robot afkoelt, neemt hij zijn oorspronkelijke vorm weer aan. Dit vouwen en ontvouwen zorgt voor voortbeweging - de krab loopt.
Rogers dankt zijn studenten voor de keuze van de krab - ze vonden het leuk hoe die zijwaarts bewoog - maar hij zegt dat elk dier waarschijnlijk kleiner kan worden gemaakt.
Hoe zullen we kleine robots in de geneeskunde gebruiken?
Rogers aarzelt om een specifiek medisch gebruik al te hard te verkopen, maar chirurgische toepassingen lijken het meest veelbelovend voor deze technologie. Voor gebruik diep in het menselijk lichaam, zegt Rogers, "zou je waarschijnlijk een zwemmer willen - zoals een vis. Er zijn andere groepen die aan zwemmers werken."
Renee Zhao, PhD, assistent-professor werktuigbouwkunde aan de Stanford University, is zo'n wetenschapper. In een nieuw artikel in Nature Communications doen zij en haar collega's verslag van hun "spinning-enabled wireless amphibious origami millirobot". (Zeg dat vijf keer snel.)
De minirobot - bijna zo groot als een vingertop - ziet eruit als een kleine cilinder en heeft een op origami geïnspireerd patroon dat draait en knikt. Hij glijdt door stroperige vloeistoffen en over gladde oppervlakken en massa's (zoals menselijke organen), en rolt, flipt en draait met behulp van een magneet op afstand. Het in- en uitklappen van de cilinder dient als pompmechanisme en kan worden gebruikt voor gerichte afgifte van een vloeibaar geneesmiddel. Het zou bijvoorbeeld medicijnen in het lichaam kunnen brengen om inwendige bloedingen te stoppen, aldus Zhao.
"Wij verbeteren het systeem door het verder te verkleinen voor biomedische toepassingen in nauwere omgevingen, zoals in bloedvaten," zegt zij.
In hun artikel merken Zhao en haar co-auteurs ook op dat minicamera's en minitangen in de millirobots kunnen worden geplaatst om endoscopie- en biopsieprocedures uit te voeren, wat in theorie minder risico's voor patiënten met zich meebrengt dan de huidige technieken.
Maar er was veel vallen en opstaan tijdens de ontwerpfase van de robot, zegt Zhao.
"Het moeilijkste deel is een optimale zwemprestatie", zegt ze, omdat de dichtheid van de robot heel dicht bij de dichtheid van de vloeistof moet liggen waarin hij "zwemt".
Wat is de volgende stap?
Op dit moment bevindt Zhao's amfibische robot zich nog in de testfase die voorafgaat aan dierproeven. Als het die hindernissen overwint, zal het worden bestudeerd in menselijke klinische proeven.
Dat betekent dat het waarschijnlijk nog jaren zal duren voordat zwemmende cilinders - of robotkrabben - hartchirurgische teams helpen of organen hechten.
"Dit is verkennend werk in een vroeg stadium," zegt Rogers. "We proberen ideeën te introduceren als onderdeel van een bredere gemeenschap van onderzoekers die micro-robotische technologieën nastreven, met de hoop dat deze technologieën uiteindelijk zullen leiden tot praktische klinische toepassingen voor chirurgische doeleinden. Het is heel erg een startpunt."
