VIDEO: Vedci vytvorili miniatúrneho robota, ktorý môže operovať priamo v tele. Meria len pár milimetrov a funguje bez batérie
Miniatúrny robot z NTU meria len pár milimetrov, no v tele dokáže rezať tkanivo, prenášať lieky aj odoberať vzorky bez batérie a motora.
Vedci zo singapurskej Nanyang Technological University predstavili miniatúrneho robota, ktorý meria iba niekoľko milimetrov, no zvládne viacero chirurgických úloh priamo vo vnútri tela. Tento drobný stroj dokáže rezať tkanivo, prenášať lieky, odoberať vzorky či vytvárať lokálne teplo. Vedci ho ovládajú bezdrôtovo pomocou magnetického poľa.
Celý koncept pritom okamžite pripomenie staré sci-fi filmy. Už v roku 1966 prišiel film Fantastic Voyage, v ktorom zmenšená ponorka cestovala cievnym systémom pacienta. O dve desaťročia neskôr podobný motív využil aj film Innerspace. To, čo kedysi patrilo čisto do sveta vedeckej fantastiky, dnes začalo pomaly prenikať do reálnej medicíny.
Prototyp momentálne meria 4,4 milimetra, no výskumníci už vyrobili aj menšie verzie s veľkosťou približne 1,5 milimetra. Celý robot pritom pôsobí skôr ako drobný hmyz než chirurgický nástroj. Napriek rozmerom však zvládol úlohy, ktoré väčšina podobných mikrorobotov nezvládla v jednom zariadení.
„Väčšina magnetických robotov zvládne iba jednu funkciu. Niektoré dve. Náš ich zvládol päť,“ vysvetlil profesor Guo Zhan Lum z NTU.
Práve počet funkcií patrí medzi najväčšie prekvapenia celého projektu. Robot totiž nielen cestuje cez komplikované prostredie, ale zároveň mení svoje „nástroje“ podľa potreby. V jednom momente vysunie drobnú čepeľ na rezanie tkaniva, o chvíľu neskôr uchopí biologickú vzorku alebo uvoľní liek priamo na cieľové miesto.
Vedci vyvíjali technológiu približne pätnásť rokov. Lum sa počas doktorandského štúdia venoval miniatúrnej robotike, no neskôr presunul pozornosť smerom k medicíne. Najväčší problém totiž nespočíval iba v zmenšení robota. Výskumníci potrebovali zabezpečiť, aby sa drobný stroj pohyboval cez nerovný povrch vo vnútri tela a zároveň vykonal viacero presných úloh.
Neprehliadni
Práve tu narážali staršie systémy na limity. Magnetické pole pri malých robotoch zvyčajne pôsobí na celé zariadenie naraz. Robot sa preto správa ako jeden kus kovu s jediným typom pohybu. Ak vedci chceli aktivovať jednu časť, často rozhýbali celý systém.
Mikroskopický robot pracuje šikovne s magnetickými poliami
Tím z NTU problém obišiel netradičným spôsobom. Robot nenavrhol ako jeden celok, ale ako sériu drobných častí s rozdielnym správaním. Niektoré komponenty reagujú iba pri určitom type magnetického poľa, zatiaľ čo ostatné zostanú stabilné.
Dôležitý detail je aj samotné napájanie. Robot v sebe nenosí žiadnu batériu ani motor. Práve tie by totiž pri takto malých rozmeroch výrazne zvýšili hmotnosť a zároveň by predstavovali bezpečnostné riziko vo vnútri tela. Celý systém čerpá energiu bezdrôtovo z magnetického poľa okolo pacienta. Rovnaké pole zároveň riadi pohyb aj aktiváciu jednotlivých nástrojov.
V praxi to znamená, že robot sa môže pohybovať bez toho, aby vysunul čepeľ, alebo odobrať vzorku bez nechceného pohybu ostatných častí. Vedci celý systém prirovnali skôr k miniatúrnemu mechanickému stroju než ku klasickému magnetickému robotovi.
Dôležitú úlohu zohrala aj samotná geometria zariadenia. Výskumníci rozložili magnetické prvky tak, aby sa niektoré sily navzájom rušili a iné zosilnili. Vďaka tomu získali nad robotom presnejšiu kontrolu.
„Vďaka symetrii a nášmu systému preprogramovania sme oddelili pohyb od jednotlivých funkcií,“ uviedli spoluautori štúdie Chelsea Ng Shan Xian, Yeoh Yu Xuan a Nicholas Yong Wei Foo.
Robot zvládol dva typy pohybu. Po nerovnom povrchu liezol pomocou takzvaného dvojkotvového pohybu, no zároveň sa dokázal nepretržite kotúľať. Táto kombinácia mu umožnila lepšie prekonávať prekážky a úzke priestory.
Práve tu sa ukazuje, ako by podobná technológia mohla raz vyzerať v praxi. Predstaviť si môžeme napríklad pacienta s podozrením na nádor v hlbokej časti mozgu. Namiesto veľkej operácie by lekár zaviedol mikrorobota cez cievu v slabine. Robot by sa následne dostal až k podozrivému tkanivu, miniatúrnou čepeľou odrezal vzorku, uložil ju do vlastnej schránky a vrátil sa späť. Lekári by získali materiál na biopsiu bez klasického chirurgického zákroku.
Testy ukázali, že robot zvládne fungovať v tele
Výskumníci testovali zariadenie na biologických modeloch vrátane kuracej pečene a mäkkých želatínových materiálov, ktoré napodobnili ľudské tkanivo. Robot úspešne prerezal mäkké tkanivo, uchopil biologický materiál aj preniesol vzorky.
Jedna z najzaujímavejších funkcií súvisí s vytváraním tepla. Vedci vystavili robota vysokofrekvenčnému magnetickému poľu, čím aktivovali lokálne zahrievanie materiálu vo vnútri zariadenia. Podobný princíp dnes skúmajú aj niektoré experimentálne terapie rakoviny, pri ktorých lekári zahrievajú nádorové bunky.
Tím sa venoval aj bezpečnosti. Vedci vystavili živé bunky materiálom použitým v robote a následne sledovali ich prežitie. Po testoch zostalo životaschopných viac než 99 percent buniek. Robot si zároveň udržal stabilitu aj po stovke cyklov magnetizácie a demagnetizácie.
Vedci musia vyriešiť, ako sa robot bude správať pri silnejšom prúde krvi a ďalšie komplikácie
Napriek tomu čaká technológiu ešte množstvo prekážok. Laboratórne prostredie je totiž výrazne jednoduchšie než živé ľudské telo. Výskumníci zatiaľ napríklad netestovali, ako si robot poradí so silným prietokom krvi v tepnách. Turbulentný prúd by mohol drobný systém odkloniť alebo úplne odplaviť.
Ďalší problém súvisí so zobrazovaním. Chirurg musí počas zákroku presne vidieť, kde sa robot nachádza a čo práve robí. Súčasné zobrazovacie technológie ako MRI alebo CT však majú problém sledovať takto malé objekty v reálnom čase s dostatočným rozlíšením. Tím z NTU už pracuje na prepojení robota s pokročilými zobrazovacími systémami, no ide o jednu z najťažších častí celého vývoja.
Otáznik visí aj nad krízovými scenármi. Vedci zatiaľ detailne nevysvetlili, čo by sa stalo pri zlyhaní systému alebo zaseknutí robota vo vnútri tela. Nie je jasné, či budú budúce verzie biologicky rozložiteľné, alebo by lekári museli zariadenie odstrániť klasickým zákrokom.
„Chceme pochopiť, ako by chirurgovia tieto systémy reálne používali. To je ďalší krok,“ povedal Lum.
Technológia zatiaľ zostala vo fáze laboratórneho výskumu, no vývoj mikrorobotov sa za posledné roky výrazne zrýchlil. Dnes už prvé prototypy reálne režú tkanivo, prenášajú lieky a pohybujú sa cez prostredie, ktoré kedysi patrilo iba do sveta fantázie.
