Kommen Mini-Roboter in ein Krankenhaus in Ihrer Nähe?
Von Mary Brophy Marcus
Aug. 2, 2022 - Stellen Sie sich vor, Sie werden in den Operationssaal gerollt, wo Ihr Operationsteam auf Sie wartet - der Chirurg, der Anästhesist und ... eine winzige Roboterkrabbe.
Wissenschaftler der Northwestern University haben eine superkleine Roboterkrabbe gebaut, die eines Tages heikle chirurgische Aufgaben übernehmen könnte - sie könnte in Ihren Körper eindringen, um kleine, gerissene Arterien zu nähen, verstopfte Arterien zu reinigen oder Krebstumore aufzuspüren.
Die sechsbeinige, einen halben Millimeter breite Peekytoe-Krabbe, die in einer aktuellen Ausgabe von Science Robotics beschrieben wird, ist der kleinste ferngesteuerte Laufroboter der Welt. Er kann sich biegen, drehen, gehen und springen und wird mit einem ferngesteuerten Laser bedient.
Er ist einer der neuesten Fortschritte in der Forschung, die sich über ein Jahrzehnt erstreckt und darauf abzielt, Miniaturmaschinen zu schaffen, die praktische Aufgaben an schwer zugänglichen Orten übernehmen können. Dieses synthetische Krustentier und andere "Mikroroboter" könnten dank der Fortschritte in der Robotik und der Materialwissenschaft chirurgischen Teams schneller helfen, als man denkt. Aber was muss geschehen, bevor diese Zukunft Wirklichkeit wird?
Die Entstehung einer Roboterkrabbe
Die Herstellung einer flöhegroßen Roboterkrabbe ist "ziemlich einfach", sagt der Bioelektronik-Ingenieur John Rogers, PhD, der die Forschung leitete. "Sie besteht aus drei Arten von Materialien: einem Polymer, einer Formgedächtnislegierung und Glas."
Das Polymer, ein kunststoffähnliches Material, wird in der Mikroelektronik verwendet. Die zweite Komponente, die Metalllegierung mit Formgedächtnis, wird mit dem Polymer verbunden, um die Gelenke und Beine zu bilden. Die dritte Komponente ist eine dünne Beschichtung aus Glas, die auf die gesamte Außenseite des Roboterkörpers aufgetragen wird.
"Das Glas bildet ein Exoskelett. Es verleiht dem gesamten Körper des Roboters eine gewisse Steifigkeit", sagt Rogers.
Der Bediener des Roboters richtet einen Laser auf eine bestimmte Stelle der Krabbe, wodurch ein thermischer Mechanismus ausgelöst wird, der den Roboter in Bewegung setzt.
"Indem wir den Laser auf bestimmte Gliedmaßen richten, können wir einen bestimmten Gang erzeugen", sagt Rogers und erklärt, dass die Hitze die Krabbe "entfaltet". Wenn der Roboter abkühlt, nimmt er wieder seine ursprüngliche Form an. Dieses Falten und Entfalten ermöglicht die Fortbewegung - die Krabbe läuft.
Rogers schreibt seinen Studenten zu, dass sie sich für die Krabbe entschieden haben - ihnen gefiel die Art und Weise, wie sie sich seitwärts bewegte - aber er sagt, dass man wahrscheinlich jedes Lebewesen kleiner machen könnte.
Wie werden wir winzige Roboter in der Medizin einsetzen?
Rogers zögert zwar, eine bestimmte medizinische Anwendung zu sehr zu propagieren, aber chirurgische Anwendungen scheinen für diese Technologie am vielversprechendsten. Für den Einsatz tief im Inneren des menschlichen Körpers, so Rogers, "bräuchte man wahrscheinlich einen Schwimmer - wie einen Fisch. Es gibt andere Gruppen, die an Schwimmern arbeiten".
Renee Zhao, PhD, eine Assistenzprofessorin für Maschinenbau an der Stanford University, ist eine dieser Wissenschaftlerinnen. In einem neuen Artikel in Nature Communications berichten sie und ihre Kollegen über ihren "drehbaren, drahtlosen, amphibischen Origami-Milliroboter". (Sagen Sie das fünfmal schnell.)
Der Mini-Roboter - etwa so groß wie eine Fingerkuppe - sieht aus wie ein winziger Zylinder und ist mit einem Origami-Muster versehen, das sich dreht und wölbt. Er gleitet durch zähflüssige Flüssigkeiten und über glatte Oberflächen und Massen (wie menschliche Organe) und rollt, dreht und wendet sich mit Hilfe eines Fernmagneten. Das Ein- und Ausklappen des Zylinders dient als Pumpmechanismus und kann für die gezielte Abgabe eines flüssigen Medikaments genutzt werden. Er könnte zum Beispiel Medikamente in den Körper transportieren, um innere Blutungen zu stoppen, sagt Zhao.
"Wir verbessern das System, indem wir es für biomedizinische Anwendungen in engeren Umgebungen wie etwa in Blutgefäßen weiter verkleinern", erklärt sie.
Zhao und ihre Mitautoren weisen in ihrer Arbeit auch darauf hin, dass die Milliroboter mit Minikameras und Minizangen ausgestattet werden könnten, um Endoskopie- und Biopsieverfahren durchzuführen, die theoretisch weniger Risiken für die Patienten bergen könnten als die derzeitigen Techniken.
Bei der Entwicklung des Roboters wurde jedoch viel ausprobiert, sagt Zhao.
"Der schwierigste Teil ist die Optimierung der Schwimmleistung", sagt sie, denn die Dichte des Roboters muss der Dichte der Flüssigkeit, in der er "schwimmt", sehr nahe kommen.
Was kommt als Nächstes?
Im Moment befindet sich Zhaos Amphibienroboter noch in der Erprobungsphase, die vor den Tierversuchen liegt. Wenn er diese Hürden überwunden hat, wird er in klinischen Studien am Menschen untersucht.
Das bedeutet, dass es wahrscheinlich noch Jahre dauern wird, bis schwimmende Zylinder - oder auch Roboterkrabben - herzchirurgischen Teams helfen oder Organe vernähen.
"Dies ist ein frühes Stadium der Erforschung", sagt Rogers. "Wir versuchen, Ideen in eine breitere Gemeinschaft von Forschern einzubringen, die sich mit mikrorobotischen Technologien beschäftigen, in der Hoffnung, dass diese Technologien im Laufe der Zeit zu praktischen klinischen Anwendungen für chirurgische Zwecke führen werden. Das ist nur ein Anfang."
