Die Innenräume des menschlichen Körpers sind größtenteils formbar (ja, dies ist ein Fachbegriff), und unsere weichen Einbauten bewältigen nicht immer die Platzierung starrer Objekte in ihnen. Scharfe Ecken können Organe und Blutgefäße beschädigen, und das körpereigene Abwehrsystem kann das fremde Objekt mit Narbengewebe umgeben und verhindern, dass es die ihm zugewiesene Funktion erfüllt. Die Forscher arbeiten an der Herstellung von
weichen Robotern , die der Körper leichter akzeptieren kann, damit die Maschinen eng mit dem Gewebe interagieren können, ohne die Sicherheit zu beeinträchtigen.
Die drei vorgestellten experimentellen Roboter sind für unterschiedliche Zwecke konzipiert - zwei davon sind Implantate und der dritte ist ein potenzielles Werkzeug für den Chirurgen. Aber sie alle zeigen uns eine empfindlichere Art von Robotern, die dank neuer Materialien und flexibler Aktuatoren entstanden sind.
Herz umarmen
In den Brüsten von 41 Millionen Menschen auf der ganzen Welt verlieren Herzversagen allmählich an Wirksamkeit und erfüllen die wichtige Aufgabe, Blut zu pumpen. Einige Patienten mit Herzinsuffizienz stehen auf der Warteliste für Transplantationen, während andere über Metallpumpen und ventrikuläre Hilfsmittel (
VADs )
verfügen . Das Vorhandensein von VAD erhöht jedoch das Risiko von Blutgerinnseln, die auftreten, wenn Flüssigkeit entlang Metall- oder Kunststoffoberflächen fließt.
Auf der Suche nach einer besseren Pumpe produzierte ein internationales Forscherteam eine
Silikonhülle , die das Herz von außen umarmt und den Blutkreislauf vor dem Kontakt mit einem Roboter schützt, der das Herz rhythmisch komprimiert. Das Ärmeldesign wurde von der Muskelstruktur des Herzens inspiriert. Seine innere Schicht wird mit konzentrischen Ringen zusammengedrückt, und die äußere ist wie eine Spirale. In einem frühen Entwicklungsstadium verwendet das Gerät 14 pneumatische Aktuatoren (6 in einer konzentrischen Schicht, 8 in einer Spirale), die getrennt von der Luftpumpe arbeiten - dies ermöglicht es Experimentatoren, verschiedene Kompressionsmodi zu überprüfen. In einem Experiment mit lebenden Schweinen zeigten die Forscher, dass das Gerät den natürlichen Herzrhythmus erkennen und anpassen kann, wobei ein gleichmäßiger Rhythmus eingestellt wird, der unzuverlässige Kontraktionen korrigiert.
Laut der Co-Autorin
Helen Roche , Postdoc an der National University of Ireland, können weiche Roboter möglicherweise nicht nur einen ausfallenden Körper unterstützen. Im September wird sie zum MIT wechseln und als Dozentin für Maschinenbau arbeiten. "Indem Sie die natürlichen Eigenschaften des Organs kopieren, können Sie ihm besser helfen - und vielleicht können Sie versuchen, es zu rehabilitieren oder ihm zu helfen, Funktionen wiederherzustellen", sagt sie. "Wenn Sie einfach alle Funktionen übernehmen, wird er sich nicht besser fühlen."
Dosierung von Medikamenten
Wenn man an Schweizer Chronometer denkt, fallen Adjektive wie „weich“ und „formbar“ wahrscheinlich nicht zuerst ein, sodass Forscher der Columbia University die Top 5 für ihren kreativen Ansatz erhalten. Nachdem sie den maltesischen Uhrmechanismus in weichem Hydrogel reproduziert hatten, entwickelten sie einen
biokompatiblen Roboter , der die Zeit zählen und Dosen des Arzneimittels im Körper freisetzen kann.
Samuel Sia , Professor für Biomedizintechnik an der Columbia University, schuf einen Biobot auf der Basis einer Uhr mit einem einfachen Hydrogel-Zahnrad, in das Eisennanopartikel eingebettet sind. Dies ermöglicht es Forschern, es mit einem externen Magneten zu drehen. Jedes nachfolgende Klicken öffnet eine Hohlkammer, in der eine Dosis Flüssigkeit freigesetzt werden kann. Sia schlägt vor, dass solche Implantate bei der Behandlung von Krebs eine lokale Abgabe von Chemotherapeutika ermöglichen können, um den Rest des Körpers von den toxischen Wirkungen des Arzneimittels zu befreien. Nachdem er das Gerät an Mäusen mit Knochenkrebs getestet hatte, stellte er fest, dass die vom Biobot abgegebenen Medikamente mehr Tumorzellen abtöteten und mehr Zellen des restlichen Körpers verschonten als typische Chemotherapiesysteme. Darüber hinaus können aufgrund des Vorhandenseins eines externen Kontrollgremiums auf Wunsch des Arztes die Dosierungen bestimmt werden.
Das Schwierigste war, das perfekte Material zu bekommen, sagt Sia, nicht zu weich, nicht zu hart. "Ich möchte die angenehmen Eigenschaften des Hydrogels nicht verlieren, aber wenn das Material wie eine Qualle komprimiert wird, werden Sie keine Roboter daraus machen", sagt er. "Es muss stark genug sein, um wie eine winzige implantierbare Maschine zu arbeiten."
Sanft greifen
Moderne Chirurgen verwenden viele verschiedene Werkzeuge, um mit Ihren inneren Organen zu arbeiten. Zum Beispiel kann ein Werkzeug verwendet werden, um die Fettschicht zu entfernen, ein anderes, um einen Tumor auf der Niere abzuschneiden. Chirurgen versuchen gewissenhaft, unnötige Schäden am empfindlichen Fleisch zu vermeiden, und es kann für sie einfacher sein, dies mit weichen Werkzeugen von Xuanhe Zhao zu erreichen.
Zhao, Associate Professor am MIT, ist auf verschiedene Arten von Mechanismen spezialisiert und hat
mehrere Roboter- Hydrogel-
Geräte entwickelt , von denen jedes aus verschachtelten Hohlwürfeln besteht. Um das Gerät zu aktivieren, gießt die Spritze auf unterschiedliche Weise Wasser in den Roboter, so dass sich der Roboter aufrichtet oder dreht, was zu schnellen und starken Bewegungen führt. Ein solcher Roboter, der einer Hand mit fünf Fingern ähnelt, demonstrierte seine Kunst, indem er einen schwimmenden Goldfisch fing und ihn dann losließ, ohne ihn zu beschädigen. Das Team von Zhao arbeitet mit medizinischen Forschern zusammen, um Hydrogel-Hände zu entwickeln, die während einer Roboteroperation Organe halten können.
Eine andere Anwendung dieser Technologie kann ein Roboter sein, der sich um den Darm dreht und ihn rhythmisch komprimiert, die wellenförmigen Bewegungen der Peristaltik imitiert und die Nahrung entlang des Verdauungstrakts fördert. Es scheint, dass die weichen Roboter von morgen alles im Körper greifen können.