Kleiner chirurgischer Roboter mit fünf Funktionen in nur 4,4 Millimetern

Trotz seiner geringen Abmessungen wird der Roboter drahtlos über schwache Magnetfelder gesteuert. Er ist in der Lage, sich auf weichen Oberflächen fortzubewegen, biologisches Gewebe zu schneiden, Medikamente freizusetzen, Gewebeproben zu greifen und zu speichern sowie Wärme aus der Ferne zu erzeugen.

Wissenschaftler zufolge löst das Gerät eine langjährige Herausforderung in der Miniaturrobotik: die Integration mehrerer Funktionen in einen einzelnen winzigen Roboter, ohne dabei an Kontrolle oder Manövrierfähigkeit einzubüßen.

Das Team demonstrierte die Fähigkeiten des Roboters in Laborversuchen mit biologischem Gewebe und Weichteilmodellen und zeigte, dass er mehrere medizinische Aufgaben gleichzeitig ausführen kann, während er komplexe Umgebungen navigiert.

Im Gegensatz zu den meisten bestehenden

Im Gegensatz zu den meisten bestehenden miniaturmagnetischen Robotern, die typischerweise nur eine oder zwei Aufgaben erfüllen, kann das NTU-Gerät schnell zwischen mehreren Werkzeugen wechseln. „Die meisten magnetischen Roboter dieser Art können nur eine oder zwei Funktionen ausführen.

Unsere neueste Erfindung kann nun fnf Funktionen ausfhren, und unser langfristiges Ziel ist es, dass rzte diese Mini-Roboter im Krper einsetzen, sie zu einem Zielort navigieren und sie zur Durchfhrung ", sagte Associate Professor Lum Guo Zhan, der die Studie leitete. Der Roboter besteht aus weichen, silikonbasierten Materialien, bekannt als PDMS und Ecoflex.

In der gesamten Struktur sind mikroskopische magnetische Partikel eingebettet, die auf externe Magnetfelder reagieren. Im Zentrum des Systems befindet sich ein magnetisches Modul, das in verschiedene Richtungen magnetisiert, demagnetisiert und erneut magnetisiert werden kann.

Was die Studie zeigt

Jede magnetische Ausrichtung aktiviert eine andere Funktion, sodass derselbe Roboter verschiedene Werkzeuge auf Abruf einsetzen kann. Die Forscher haben zudem verschiedene Bereiche des Roboters so konstruiert, dass sie unabhängig voneinander auf magnetische Signale reagieren.

Dieses Design verhindert, dass sich das gesamte Gerät wie ein einzelner Magnet bewegt, was eine häufige Einschränkung bei vielen bestehenden miniaturisierten Robotersystemen darstellt. Zudem führt das Design einen sechsten Freiheitsgrad ein, bekannt als Rollenbewegung, wodurch der Roboter um seine Längsachse drehen kann.

Die zusätzliche Bewegung ermöglicht eine bessere Steuerung beim Navigieren durch enge und unregelmäßige Bereiche, wie sie beispielsweise im menschlichen Körper vorkommen. Um die Leistungsfähigkeit zu bewerten, testete das Team den Roboter an Hühnerleber sowie auf Gelatine-basierten Materialien, die weiches biologisches Gewebe nachbilden sollen.

Technischer Hintergrund

Der Roboter schneidete Gewebe erfolgreich durch, gab Partikel frei, die Medikamente repräsentieren, sammelte und speicherte Gewebeproben und erzeugte durch magnetische Induktion lokalisierte Wärme. Die Forscher betonten, dass die Heizfähigkeit Ansätze der magnetischen Hyperthermie unterstützen könnte, die derzeit für die Krebstherapie untersucht werden.

Das Team prüfte zudem die Sicherheit der Materialien, indem diese menschlichen Hautzellen ausgesetzt wurden. Mehr als 99 Prozent der Zellen blieben nach der Exposition lebensfähig, was eine geringe Toxizität unter Laborbedingungen anzeigt.

Die Forscher untersuchen nun, wie der Roboter mit bildgebenden Verfahren, Sensoren und Modellen künstlicher Organe integriert werden könnte.

Was die Studie zeigt

Zudem arbeiten sie mit Chirurgen zusammen, um zu ermitteln, wie solche Systeme in zukünftige klinische Arbeitsabläufe eingebunden werden könnten. „Damit diese Roboter der praktischen Anwendung näherkommen, müssen wir nicht nur verstehen, wie sie im Labor funktionieren, sondern auch, wie sie in realistischen medizinischen Umgebungen gelenkt, überwacht und gesteuert werden können", sagte Lum.

Die Studie wurde in der Zeitschrift Advanced Materials veröffentlicht.