Если вы когда-нибудь глотали одну и ту же круглую таблетку в надежде вылечить все, от желудочных спазмов до головной боли, вы уже знаете, что лекарства не всегда предназначены для лечения конкретных болевых точек. В то время как безрецептурные таблетки лечили многие болезни на протяжении десятилетий, биомедицинские исследователи только недавно начали изучать способы улучшения адресной доставки лекарств при лечении более сложных заболеваний, таких как сердечно-сосудистые заболевания или рак.

Многообещающей инновацией в этой развивающейся области биомедицины является миллиробот. Эти роботы размером с кончик пальца готовы стать будущими спасателями медицины — ползать, вращаться и плавать, чтобы проникать в узкие места во время своей миссии по исследованию внутренних механизмов или выдаче лекарств.

Ведущий исследователь в этой области, инженер-механик из Стэнфордского университета Рене Чжао работает над проектами многих миллироботов одновременно, в том числе над магнитным ползающим роботом , который недавно был замечен на обложке Science Advances , пробирающимся через желудок. Приводимые в действие магнитными полями, которые обеспечивают непрерывное движение и могут быть мгновенно применены для создания крутящего момента и изменения способа движения роботов, ее роботы могут самостоятельно выбирать различные состояния локомотива и преодолевать препятствия в теле. Просто изменив силу и ориентацию магнитного поля , команда Чжао может отправить робота плыть по телу на расстояние за один прыжок, в 10 раз превышающее длину робота.

Ключевым аспектом ее исследования является то, что магнитное срабатывание также обеспечивает беспрепятственное управление для неинвазивной операции и отделяет блок управления от устройства для обеспечения миниатюризации. Чжао сказал, что их последний робот, представленный в этом месяце в Nature Communications, является «самым надежным и многофункциональным непривязанным роботом, который мы когда-либо разрабатывали».

Этот новый «беспроводной миллиробот-амфибия-оригами с возможностью вращения» настолько многофункционален, как следует из его названия. Это элегантно спроектированное единое устройство, способное быстро перемещаться по гладким неровным поверхностям органов и плавать в жидкостях организма, перемещаясь по беспроводной сети при транспортировке жидких лекарств. В отличие от проглатываемых таблеток или вводимых жидкостей, этот робот удерживает лекарство до тех пор, пока «оно не достигнет цели, а затем выпускает высококонцентрированное лекарство», — сказал Чжао, доцент кафедры машиностроения. «Именно так наш робот обеспечивает адресную доставку лекарств».

Изменение формы доставки лекарств

Что является новаторским в этом конкретном роботе-амфибии, по словам Чжао, так это то, что он выходит за рамки конструкции большинства роботов на основе оригами, которые используют только возможность складывания оригами для управления тем, как робот трансформируется и движется.

Помимо изучения того, как складывание может позволить роботу выполнять определенные действия — представьте себе складку гармошкой, которая выдавливает лекарство — команда Чжао также рассмотрела, как размеры точной формы каждой складки влияют на жесткое движение робота, когда он не был сложен. В результате разложенная форма робота по своей природе обеспечивает движение в окружающей среде. Такие широкие взгляды позволили исследователям получить больше пользы от материалов, не увеличивая их объем — и в мире Чжао, чем больше функциональности достигается за счет одной структуры в конструкции робота, тем менее инвазивной является медицинская процедура.

Еще одним уникальным аспектом конструкции робота является сочетание определенных геометрических элементов. Продольное отверстие в центре робота и боковые прорези, расположенные под углом вверх по бокам, снижают сопротивление воды и помогают роботу лучше плавать. «Эта конструкция создает отрицательное давление в роботе для быстрого плавания и в то же время обеспечивает всасывание для погрузки и транспортировки груза», — сказал Чжао. «Мы в полной мере используем геометрические особенности этого маленького робота и изучаем эту единую структуру для различных приложений и различных функций».

Основываясь на беседах с экспертами медицинского факультета Стэнфорда, лаборатория Чжао рассматривает вопрос о том, как улучшить существующие методы лечения и процедуры путем создания новых технологий. Если эта работа пойдет по пути Чжао, ее роботы не только обеспечат удобный способ эффективного дозирования лекарств, но также могут быть использованы для переноса инструментов или камер в тело, изменяя то, как врачи осматривают пациентов. Команда также работает над использованием ультразвукового изображения, чтобы отслеживать, куда идут роботы, что устраняет необходимость вскрывать органы.

Чем меньше, проще, тем лучше

Хотя мы не увидим миллироботов, подобных Чжао, в реальных медицинских учреждениях до тех пор, пока не будет известно больше об оптимальном дизайне и передовых методах визуализации , первый в своем роде пловец лаборатории, отмеченный в Nature Communications , является одним из их роботов, которые продвинулись дальше всех. В настоящее время он находится на стадии испытаний, которые предшествуют любым испытаниям на живых животных, которые продолжают клинические испытания на людях.

Тем временем команда Чжао продолжает объединять множество новых интеллектуальных материалов и структур в уникальные конструкции, которые в конечном итоге формируют новые биомедицинские устройства. Она также планирует продолжить масштабирование своих роботов для дальнейших биомедицинских исследований на микроуровне.

Как инженер, Чжао стремится разрабатывать самые простые конструкции с максимальной функциональностью. Ее робот-амфибия служит примером этой миссии, поскольку он вдохновил ее команду на более полное рассмотрение геометрических особенностей, которым другие исследователи роботов-оригами обычно не отдают приоритет. «Мы начали смотреть, как все это работает параллельно», — сказал Чжао. «Это очень уникальная точка этой работы, и она также имеет широкое потенциальное применение в области биомедицины».