Необычный бот Pangolin — прототип размером с таблетку

Крошечная версия робота чешуйчатого млекопитающего, известного как
ящер может однажды проводить медицинские процедуры внутри тела, говорится в новом исследовании.

Ученые все чаще исследуют, как
миниатюрные роботы могут найти применение в медицине — например, для переноса лекарств, генов или клеток в организм. Мягкие роботы особенно обещают доступ к труднодоступным областям безопасным и минимально инвазивным способом.

Вместо того, чтобы питать эти машины с помощью громоздких кабелей или батарей, исследователи изучают непривязанные версии этих роботов, которые получают их энергию.
удаленнонапример, с помощью света или ультразвука. Магнитные поля продемонстрировали перспективность для этого применения из-за того, что они могут безопасно проникать в ткани человека.

Исследователи в Германии разработали небольшого робота, который может доставлять лекарства в определенные места в пищеварительном тракте пациента (в данном случае), а затем разворачиваться с помощью внешних магнитных полей. Вдохновением для создания этого робота послужил панголин, чешуйчатое млекопитающее, чья броня покрывает и яростно защищает тело животного, при этом обеспечивая ему широкий диапазон движений. Институт интеллектуальных систем Макса Планка

Клиническое применение миниатюрных магнитных роботов без привязки по-прежнему ограничено, поскольку устройства в основном полагаются только на механическое взаимодействие с телом, а не на использование, скажем, тепла. Магнитные поля также могут дистанционно снабжать роботов энергией для обогрева. Однако магнитные поля лучше всего нагревают жесткие металлические детали, и такие компоненты обычно лишают преимущества мягкого тела.

Теперь ученые разработали крошечного магнитного робота, который сочетает твердость и мягкость, вдохновившись панголинами. Животное, напоминающее ходячую сосновую шишку, является единственным млекопитающим, полностью покрытым твердой чешуей. Тем не менее, панголин по-прежнему способен к гибким движениям просто из-за того, что его чешуя перекрывается, позволяя ему свернуться в клубок в случае опасности.

«Я всегда читал о том, как природа вдохновляла ученых, но я никогда не думал, что сам буду таким же».
— Рен Хао Сун, Институт интеллектуальных систем им. Макса Планка, Штутгарт.

В начале «я сосредоточился на рыбах и броненосцах, поскольку я был с ними более знаком», — вспоминает ведущий автор исследования.
Рен Хао Сунробототехник в Институт интеллектуальных систем Макса Планка в Штутгарте, Германия. «Однако они не были идеальными. Отдельные рыбьи чешуи были соединены между собой, что уменьшило их механическую деформацию. С другой стороны, в то время как конструкция броненосца обеспечивала необходимую механическую податливость, они не могли обеспечить необходимую эффективность обогрева — для повышения эффективности нагрева в роботе необходимо было использовать больший объем материала, такого как металлические чешуйки. ».

Просматривая видео на YouTube о рыбах и броненосцах, Сун говорит, что «по счастливой случайности наткнулся на панголина, который идеально подходил для наших целей. Это был очень волнующий момент для меня, когда я думал об этом. Лично говоря. Я всегда читал о том, как природа вдохновляла ученых, но я никогда не думал, что сам буду таким же».

Новый робот представляет собой небольшой плоский прямоугольник размером 1 сантиметр на 2 сантиметра на 200 микрон. Он состоит из алюминиевых чешуек поверх гибкого корпуса из силиконового каучука, смешанного с магнитными микрочастицами и жидким сплавом.
эвтектический галлий-индий.

В экспериментах ученые использовали высокочастотные магнитные поля, чтобы нагреть робота до более чем 70 градусов по Цельсию менее чем за 30 секунд. Они прикладывали эти магнитные поля дистанционно, с расстояния более 5 сантиметров.

«Мы оспариваем предположение о «полностью мягком» использовании мягких роботов. До сих пор существовало неотъемлемое предположение, что роботы используются для биомедицинский приложения должны были быть полностью программными».
— Рен Хао Сун, Институт интеллектуальных систем им. Макса Планка, Штутгарт.

Когда исследователи использовали низкочастотные магнитные поля, они могли сворачивать робота и перемещать его вперед и назад. Свернувшись, он мог перевозить такие грузы, как лекарства, высвобождая свое содержимое при нагревании. Например, чешуя толщиной 50 и 80 микрон была погружена в пчелиный воск, к которому были прикреплены синий и зеленый грузовые пакеты соответственно. При магнитном нагреве более тонкий пакет достиг температуры плавления пчелиного воска на 1 секунду быстрее, чем более толстый пакет, что позволило роботу высвободить только синий груз, но не зеленый.

«Мы подвергаем сомнению предположение о «полностью мягком» использовании мягких роботов, — говорит Сун. «До сих пор существовало неотъемлемое предположение, что роботы, используемые для биомедицинских приложений, должны быть полностью мягкими. Хотя соответствие мягких материалов может сделать его более безопасным, оно значительно ограничивает функциональные возможности этих роботов — твердые материалы могут иметь желаемые свойства материала, которые может использовать полностью мягкая система».

Исследователи показали, что они могут свернуть этого робота, чтобы он мог поместиться в таблетку, которую можно проглотить для использования в труднодоступных местах. В экспериментах с роботом в желудках свиней на бойне они обнаружили, что он может останавливать кровотечение, и они предполагают, что он также может помочь в лечении язв, полипов и опухолей, а также воздействовать на другие области кишечника.

Небольшой робот, разработанный немецкими исследователями, обеспечивает возможность выборочного размещения грузов (например, лекарств) в зависимости от силы и местоположения внешнего магнитного поля. Здесь изображена симуляция, в которой груз синего цвета развертывается, в то время как другие части бота остаются неразвернутыми.Институт интеллектуальных систем Макса Планка

«Минимально инвазивные хирургические устройства могут достигать почти всего желудочно-кишечного тракта с помощью эндоскопа и колоноскопа», — говорит Сун. «Однако большая часть желудочно-кишечного тракта, а именно тонкая кишка, по-прежнему остается вне досягаемости этих устройств, потому что добраться с помощью этих устройств слишком сложно. Таким образом, у непривязанных роботов есть возможность дополнить или даже заменить существующие методы лечения заболеваний тонкой кишки».

Теперь ученые надеются работать с клиницистами, «чтобы определить реальную медицинскую потребность, в которой такие роботы могут быть полезны», — говорит Сун.

Ученые подробно
их выводы 20 июня в журнале Связь с природой.