Cercetătorii de la NTU Singapore au dezvoltat un robot miniatural pentru intervenții chirurgicale precise
Cercetătorii de la Universitatea Tehnologică Nanyang din Singapore (NTU Singapore) au creat un robot de dimensiunea unei semințe, capabil să navigheze pe suprafețe moi și neregulate pentru a realiza cinci funcții chirurgicale fără fir, deschizând astfel calea pentru dezvoltarea unor roboți care să facă intervențiile chirurgicale și tratamentele medicale mai precise.
Robotul miniatural, care măsoară doar 4,4 mm în lungime și este controlat prin câmpuri magnetice slabe, poate să se miște, să taie țesuturi biologice, să elibereze medicamente, să prindă și să stocheze mostre de țesut sau să genereze căldură la distanță, toate acestea în mai puțin de o secundă. Proiectul a fost condus de Asociatul Profesor Lum Guo Zhan de la Școala de Inginerie Mecanică și Aeronautică a NTU, iar rezultatele au fost publicate recent în jurnalul academic Advanced Materials.
Folosing bobine magnetice în laborator pentru a controla robotul de la distanță, echipa a reușit să îi solicite diverse unelte și să execute funcții diferite, cum ar fi activarea unei lame mici pentru a tăia țesut sau emiterea de căldură într-o zonă țintă, relevantă pentru metodele de tratament împotriva cancerului care utilizează căldura. „Cele mai mulți roboți magnetici ca acesta pot efectua doar una sau două funcții. Invenția noastră poate acum să facă cinci, iar scopul nostru pe termen lung este ca medicii să utilizeze acești mini roboți în corp, să îi ghideze către o locație țintă și să îi folosească pentru a efectua tratamente”, a declarat Asociatul Profesor Lum, recunoscut ca pionier în domeniul roboților miniaturali din materiale moi și flexibile.
Mini roboții sunt studiați la nivel mondial ca o modalitate posibilă de a face procedurile chirurgicale și medicale minim invazive mai sigure, mai puțin dureroase și mai precise, permițând medicilor să efectueze intervenții chirurgicale țintite în profunzimea corpului, fără a necesita incizii mari sau instrumente chirurgicale voluminoase.
În vederea integrării mai multor funcții într-un robot de câțiva milimetri, echipa NTU a dezvoltat un dispozitiv de control al mișcărilor, activat de câmpuri magnetice, care poate fi reprogramat în mai puțin de o secundă. Robotul este fabricat din materiale magnetice moi, inclusiv PDMS și Ecoflex, care sunt materiale pe bază de silicon, utilizate frecvent în robotică moale datorită flexibilității lor. Aceste materiale sunt impregnate cu microparticule magnetice de 5 micrometri fiecare, permițând diferitelor părți ale robotului să răspundă la câmpurile magnetice.
La centrul dispozitivului se află un modul magnetic care poate fi magnetizat, demagnetizat și remagnetizat în diferite direcții. Fiecare orientare magnetică activează o funcție diferită a robotului, permițându-i să efectueze cinci funcții diferite, cum ar fi tăierea și prinderea țesuturilor. Cercetătorii au proiectat diferite regiuni ale robotului pentru a se asigura că doar o singură parte, și nu restul, răspunde la același câmp magnetic. Aceasta înseamnă că doar o parte a robotului reacționează pentru a activa un instrument sau o funcție, în timp ce celelalte părți rămân imobile, abordând astfel o limitare majoră a roboților magnetici miniaturali.
La scară mică, câmpurile magnetice afectează adesea întregul dispozitiv simultan, determinându-l să se comporte ca un singur magnet, cu toate părțile reacționând la un câmp magnetic, limitând astfel cât de precis poate să se miște sau să activeze diferite unelte. Cele mai mulți roboți magnetici miniaturali sunt, de asemenea, limitați la cinci grade de libertate, putând să se miște pe trei axe și să se rotească în două direcții. Robotul NTU adaugă o a șasea mișcare, rotirea, care îi permite să se rotească în jurul axei sale lungi, oferindu-i un control mai fin asupra poziționării, ceea ce este esențial pentru navigarea în spații înguste, moi și neregulate, cum sunt cele din interiorul corpului.
Spre deosebire de mini roboți asemănători unui slime, robotul NTU are un corp solid, dar flexibil, ceea ce îl face mai rezistent și mai ușor de recuperat după utilizare.
Echipa NTU a testat funcțiile chirurgicale ale robotului folosind modele de țesut biologic, inclusiv ficat de pui, precum și materiale pe bază de gelatină care simulează țesuturile moi. În testele de laborator, robotul a tăiat prin țesuturi biologice, a eliberat particule care simulează medicamente, a prins și stocat mostre de țesut și a generat căldură localizată după ce a fost expus câmpurilor magnetice. Pentru a produce căldură, cercetătorii au expus robotul unui câmp magnetic alternativ de înaltă frecvență, ceea ce a determinat materialele magnetice din interiorul dispozitivului să genereze căldură la distanță, într-o abordare relevantă pentru metodele de hipertermie magnetică studiate în tratamentul cancerului.
De asemenea, echipa a evaluat biocompatibilitatea materialelor robotului, expunându-le la celule umane de piele în condiții de laborator. Peste 99% din celule au rămas viabile după expunerea la materialele robotului, similar cu grupul de control, sugerând că materialele au fost în mare parte non-toxice în condițiile experimentale. Echipa, care include absolvenții MAE de la NTU, Dr. Chelsea Shan Xian Ng și Ms. Yu Xuan Yeoh, precum și studentul de doctorat Nicholas Yong Wei Foo, care sunt coautori ai cercetării, explorează acum cum versiunile viitoare ar putea fi combinate cu tehnologii de imagistică, sisteme de detecție și modele realiste de organe artificiale care imită mai bine comportamentul fizic al țesuturilor umane.
Asociatul Profesor Lum colaborează, de asemenea, cu chirurgi pentru a înțelege cum sistemele robotice miniaturale ar putea fi integrate în fluxurile de lucru clinice reale. „Pentru ca acești roboți să se apropie de utilizarea practică, trebuie să înțelegem nu doar cum funcționează în laborator, ci și cum pot fi ghidați, monitorizați și controlați în medii medicale realiste”, a adăugat el. Comentând independent, Dr. Yeong Leong Litt a spus: „Acești roboți magnetici de dimensiuni milimetrice sunt cu adevărat remarcabili în capacitatea lor de a traversa medii complicate și de a efectua o varietate de sarcini, cum ar fi livrarea medicamentelor într-o locație, efectuarea biopsiilor și administrarea căldurii terapeutice la distanță. Îi pot imagina având potențialul de a înlocui multe aspecte ale chirurgiei intervenționale radiologice și de a deveni un nou mod de terapie în medicină.”
Proiectul de cercetare a durat șapte ani și a fost susținut de Grantul de Start-up NTU, Agenția pentru Știință, Tehnologie și Cercetare (A*STAR) și Grupul NHG.
