Miniaturowy robot może usprawnić małoinwazyjną chirurgię. Urządzenie jest inspirowane organizmem gekona i ruchami gąsienic [DEPESZA]

Kanadyjscy naukowcy wykorzystali sposób poruszania się gąsienic i gekonów do zbudowania miękkiego robota wspinającego się. Chociaż już wcześniej tworzono urządzenia inspirowane ruchami i budową tych zwierząt, to naukowcom z Waterloo Institute for Nanotechnology udało się zachować miniaturową konstrukcję robota, a także zdalne sterowanie nim. Dzięki temu GeiwBot może znaleźć zastosowanie w medycynie i przeprowadzać małoinwazyjne zabiegi wewnątrz ludzkiego organizmu.

– Inspiracją do stworzenia robota były systemy biologiczne występujące w przyrodzie. Tę dziedzinę badań określa się mianem biomimetyki lub biomimikry. Chociaż człowiek jest w stanie zaprojektować wiele niezwykłych rzeczy, nie możemy zapominać o naturze, w której szereg konstrukcji istnieje już od milionów lat. Badając takie systemy, możemy opracować proste i sprytne rozwiązania różnych problemów. Inspiracją do stworzenia GeiwBota ‒ robota zdolnego do swobodnego poruszania się w sposób ciągły ‒ było połączenie techniki wspinania się gekona i ruchu gąsienicy – wyjaśnia w rozmowie z agencją Newseria Innowacje dr Boxin Zhao z Wydziału Inżynierii Chemicznej Waterloo Institute for Nanotechnology.

Niezwykła zdolność gekonów do wspinania się jest ściśle związana z unikalną strukturą powierzchni ich kończyn porośniętych keratynowymi mikrowłoskami. Taką budowę wykorzystali też naukowcy z Kanady.

– GeiwBot składa się z trzech elementów: stopy, nogi i tułowia. Stopa jest wykonana z syntetycznej, magnetycznej folii samoprzylepnej o filarowej konstrukcji mikronowej wielkości. Konstrukcja ta imituje mikrostrukturę opuszków palców gekonów, które poruszają się tak, by idealnie dopasować się do powierzchni, po której zwierzę się wspina. Dodatki magnetyczne zapewniają wytrzymałość, poprawiając przyczepność robota do powierzchni w przypadku wystawienia na działanie pola magnetycznego. Ruch uzyskuje się poprzez wystawienie tułowia i nogi na działanie promieni UV. Powodują one, że elastomery ciekłokrystaliczne, tzn. specjalny rodzaj tworzywa sztucznego, ulegają wygięciu. Poprzez naprzemienne stosowanie promieni UV i pola magnetycznego robot wspina się po powierzchni, a jego ruch przypomina misterny taniec – mówi dr Boxin Zhao.

Inżynierowie już wcześniej inspirowali się tymi zwierzętami, tworząc roboty przeznaczone do chodzenia po ścianach i sufitach. Dotychczas tworzone urządzenia wspinają się, korzystając z pneumatycznych lub elektrostatycznych nóżek zintegrowanych z miękkimi siłownikami przypominającymi mięśnie. Zużywają one jednak dużo energii do tego, by utrzymywać stabilność. Często też muszą być połączone z urządzeniem sterującym za pomocą kabla. Robot opracowany przez Kanadyjczyków jest pozbawiony tych wad, co otwiera drogę do szerokiego zastosowania.

– Zastosowane rozwiązania umożliwiły zachowanie miniaturowej konstrukcji robota. Brak systemów okablowania na potrzeby zapewnienia ruchu i przyczepności oraz możliwość swobodnego poruszania się robota pozwalają na dodatkowe zmniejszenie jego rozmiaru, co do tej pory było trudne do osiągnięcia – podkreśla naukowiec z Waterloo Institute for Nanotechnology. – Poruszający się swobodnie miękki robot otwiera drogę do potencjalnych zastosowań chirurgicznych poprzez zdalne sterowanie wewnątrz ludzkiego ciała.

Robot ma około 4 cm długości, 3 mm szerokości i 1 mm grubości. Badacze podkreślają, że jego rozmiar stwarza dużo możliwości zastosowania w różnych dziedzinach, a jedną z nich jest medycyna, np. chirurgia małoinwazyjna czy biopsje. Robot mógłby na przykład pobierać próbkę tkanki do dalszych badań lub przesuwać stent, by odblokować zatkane naczynie krwionośne.

– Przeprowadzone badania stanowią znaczący krok w rozwoju najnowocześniejszych innowacji w dziedzinie miękkiej robotyki. W ramach kolejnego etapu badań prawdopodobnie skupimy się na opracowaniu miękkiego, wspinającego się robota napędzanego w całości światłem. Nie będzie wymagał zastosowania pola magnetycznego i wykorzysta promieniowanie bliskiej podczerwieni zamiast światła UV, co pozwoli poprawić jego biokompatybilność.  Idealnie byłoby, gdyby ulepszony GeiwBot 2.0 był w stanie poruszać się dzięki pojedynczemu źródłu bliskiej podczerwieni, które emituje impulsy o różnej długości fali, a każda długość fali wyzwoliłaby inny ruch GeiwBota – zapowiada dr Boxin Zhao.

Według Allied Market Research światowy rynek biomimetyki medycznej przekroczył w 2021 roku 35 mld dol. przychodów. Do 2031 roku jego wycena zbliży się do 69 mld dol.