Медичних мікророботів навчили уникати перешкод і захоплювати об'єкти

Інженери з США і Нідерландів створили мікророботів, які можуть пересуватися в мінливому середовищі і захоплювати об'єкти, причому фаланги «пальців» роботів згортаються для захоплення без джерела живлення - у відповідь на зміну температури середовища. Результати тестів і властивості роботів вчені описали в роботі, опублікованій в журналі.

Вчені все частіше створюють мікророботів для вирішення медичних завдань: одні роботи здатні захоплювати клітини, інші вільно переміщуються по кровотоку і можуть доставляти лікарські препарати до потрібного органу, а треті відразу створені з біосумісних матеріалів і можуть, наприклад, вбивати ракові клітини. Такими мікророботами можна досить точно керувати за допомогою магнітного поля, що робить медичні операції більш безпечними і менш інвазивними. Розробники прагнуть створювати роботів якомога меншого розміру, якими можна дуже точно керувати і які не потребували б джерела живлення, будучи здатними черпати енергію прямо з навколишнього середовища.

Саме за такими принципами група вчених з США і Нідерландів під керівництвом Федеріко Онгаро (Federico Ongaro) з Університету Твенте розробила мікророботів, здатних реагувати на зміну температури навколишнього середовища, і протестувала їх здатності до захоплення і пересування, а також їх магнітні властивості.

Вчені створили чотири моделі металевих мікророботів, розмір яких варіювався від 100 до 980 мікрометрів у довжину або в поперечнику. При цьому у трьох моделей було шість «пальців», а в однієї - всього два. Ці роботи містять термочутливі полімери, які дозволяють фалангам «пальців» самостійно розгортатися і згортатися при зміні температури, і таким чином проводити захоплення об'єктів. Роботами можна керувати за допомогою камери Blackfly, трекера і системи управління, яка складається з оптичного мікроскопа і чотирьох електромагнітних котушок із залізним серцевиком.

Алгоритм пересування роботів у замкнутому середовищі протестували у віртуальних мікролабіринтах зі статичними елементами і рухомими частинками, дизайн лабіринту був подібний до гри PacMan. Розмір кожної сторони лабіринту становив 20 розмірів мікроробота. Рухами роботів керував алгоритм, за допомогою якого мікророботи повинні були автономно пересуватися лабіринтом від заданої точки до цільової, минаючи трьох агентів, які то нападали на робота, то розбігалися по кутах, переходячи з однієї фази в іншу кожні 5 секунд. Таким чином, алгоритми не тільки розраховували роботам траєкторію руху до цільової точки, але і проводили корекцію з урахуванням руху агентів.

Здатності роботів схоплювати частинки і долати опір середовища вчені тестували на плоскій поверхні шматочка сиру моцарелла. Вчені маніпулювали силою магнітного поля (від слабкої зміни в 15 міллітесла до сильного в 1,35 тесла) і розраховували коефіцієнт опору форми (КСФ) для кожної моделі.

Шестипалі роботи- «мікросхопувачі» діаметром 100 мікрометрів не впоралися із завданням захоплення об'єктів, оскільки не забезпечували достатнього кута складання. КСФ виявився сильно залежним від розміру робота:КСФ збільшується наполовину, коли розмір зменшується в 3,9 рази, і в шість разів, коли розмір зменшується в 9,8 рази. Максимальна швидкість мікроробота зменшувалася разом зі зниженням розміру роботи. Так, максимальна швидкість, яку може розвинути двупалий робот довжиною 750 мікрометрів, в три рази перевершує максимальну швидкість шестипалого робота меншого розміру (250 мікрометрів в діаметрі) завдяки збільшенню магнітного об'єму.

На підставі отриманих даних вчені також підрахували, яка сила, теоретично, знадобиться для управління цими роботами в крові пацієнта, якщо вони рухатимуться проти кровотоку. Для розрахунків вони взяли середнє значення щільності середовища, середню швидкість кровотоку в капілярах, і припустили, що робот не стосуватиметься стінок судин. Вони дійшли висновку, що необхідні сили повинні бути менше максимальної електромагнітної сили для всіх, крім моделей діаметром 100 мікрометрів. У подальшій роботі вчені збираються протестувати здатності роботів до захоплення в тривимірному середовищі і в умовах опору кровотоку і таким чином продовжити адаптацію прототипів під клінічне використання.

У сучасній медицині роботи поступово витісняють людей з операційних: вони самостійно вставляють пацієнтам зубні імплантати і оперують свиней. Однак їм теж властиві помилки: ми писали про статистику смертей з вини роботів-хірургів, яку надали дослідники з Чикаго.