Три медицинских робота, таких же мягких, как люди

Внутренности человеческого тела в основном податливые (да, это технический термин), и наши мягкие внутренности не всегда справляются с размещением в них жёстких объектов. Острые углы могут повредить органы и сосуды, а система защиты тела может окружить чуждый объект рубцовой тканью и помешать ему выполнить возложенную на него функцию. Исследователи работают над изготовлением мягких роботов, которых тело будет принимать охотнее, что позволит машинам вплотную взаимодействовать с тканью, не вредя безопасности.

Три представленных экспериментальных робота разработаны с разными целями – два из них имплантаты, а третий – потенциальный инструмент хирурга. Но все они показывают нам более нежный вид роботов, появившийся благодаря новым материалам и гибким актуаторам.

Обнимающий сердце

В груди 41 миллиона человек по всему миру отказывающие сердца постепенно теряют эффективность, выполняя жизненно важную задачу по прокачке крови. Некоторые пациенты с сердечной недостаточностью попадают в список ожидания трансплантата, а другим вживляют металлические насосы, устройства помощи сердцу [ventricular assist devices, VAD]. Но наличие VAD повышает риск возникновения сгустков крови, появляющихся при течении жидкости по металлическим или пластиковым поверхностям.

В поисках более совершенного насоса международная команда исследователей изготовила силиконовый рукав, обнимающий сердце снаружи, защищающий кровоток от контакта с роботом, ритмично сжимающим сердце. Дизайн рукава был вдохновлён строением мускулов сердца. Его внутренний слой сжимается при помощи концентрических колец, а внешний – как спираль. На раннем этапе разработки устройство использует 14 пневматических актуаторов (6 в концентрическом слое, 8 в спиральном), срабатывающим по отдельности от накачки воздуха – это позволяет экспериментаторам проверять различные режимы сжатия. В эксперименте с живыми свиньями исследователи показали, что устройство может распознавать и соответствовать естественному ритму сердца, задавая ровный ритм, исправляющий ненадёжные сокращения.

Мягкие роботы потенциально способны не просто поддерживать отказывающее тело, как говорит соавтор работы Элен Роше, постдок в Национальном Ирландском университете. В сентябре она переведётся в MIT и начнёт работу в качестве старшего преподавателя машиностроения. «Скопировав естественные свойства органа, вам лучше удастся помогать ему – и, возможно, можно будет попробовать реабилитировать его или помочь ему восстановить функции, – говорит она. – Если вы просто возьмёте на себя все его функции, лучше ему не станет.

Дозирующий лекарства

При мысли о швейцарских хронометрах на ум вряд ли в первую очередь придут такие прилагательные, как „мягкий“ и „податливый“, поэтому исследователи из Колумбийского университета получают пятёрку за творческий подход. Воспроизведя в мягком гидрогеле мальтийский часовой механизм, они создали биологически совместимого робота, способного отсчитывать время и выпускать дозы лекарства внутри тела.

Самуэль Сиа, профессор биомедицинского инженерного дела в Колумбийском университете, создал биобота на основе часов с одной простой шестерёнкой из гидрогеля, в которую внедрены наночастицы железа. Это позволяет исследователям вращать её при помощи внешнего магнита. Каждый следующей щелчок открывает пустотелую камеру, способную выпустить дозу жидкости. Сиа предполагает, что при лечении рака такие имплантаты могут обеспечить локальную доставку лекарств для химиотерапии, чтобы избавить оставшуюся часть тела от токсичных эффектов лекарства. Проверив устройство на мышах с раком костей, он обнаружил, что доставленные биоботом лекарства убивали больше клеток опухоли и щадили больше клеток остального тела, чем типичные системы для химиотерапии. Более того, благодаря наличию внешнего пульта управления дозы можно определять по желанию врача.

Сложнее всего было добиться идеально подходящего материала, говорит Сиа, не слишком мягкого, не слишком жёсткого. „Не хочется терять приятные свойства гидрогеля, но если материал сжимается как медуза, из него не сделаешь роботов, – говорит он. – Он должен быть достаточно прочным, чтобы работать как крохотная имплантируемая машина“.

Нежно хватающей

Современные хирурги используют множество разных инструментов для работы с вашими внутренними органами. К примеру, один инструмент можно использовать, чтобы отодвинуть жировую прослойку, другой – чтобы срезать опухоль на почке. Хирурги скрупулёзно стараются избегать ненужных повреждений нежной плоти, и им, возможно, будет легче этого достичь при помощи мягких инструментов от Сюаньхэ Чжао [Xuanhe Zhao].

Чжао, адъюнкт-профессор из MIT, специализируется на механизмах различного рода, и разработал несколько роботизированных устройств из гидрогеля, каждое из которых представляет собой переплетённые пустотелые кубы. Для активации устройства шприц вливает в робота воду по-разному, так, чтобы робот спрямлялся или закручивался, производя в результате быстрые и сильные движения. Один такой робот, напоминающий пятипалую руку, демонстрировал своё искусство, вылавливая плавающую золотую рыбку, а затем отпуская её, не навредив. Команда Чжао работает совместно с медицинскими исследователями над созданием гидрогелевых „рук“, способных удерживать органы во время роботизированных хирургических операций.

Ещё одним применением подобной технологии может стать робот, обвивающийся вокруг кишечника и ритмично сжимающей его, подражая волнообразным движениям перистальтики, продвигающей еду по пищеварительному тракту. Кажется, что завтрашние мягкие роботы могут схватить внутри тела что угодно.