Медицинских микророботов научили избегать препятствий и захватывать объекты

Инженеры из США и Нидерландов создали микророботов, которые могут передвигаться в изменчивой среде и захватывать объекты, причем фаланги «пальцев» роботов сворачиваются для захвата без источника питания — в ответ на изменение температуры среды. Результаты тестов и свойства роботов ученые описали в работе, опубликованной в журнале PLOS One.

Ученые все чаще создают микророботов для решения медицинских задач: одни роботы способны захватывать клетки, другие свободно перемещаются по кровотоку и могут доставлять лекарственные препараты к нужному органу, а третьи сразу созданы из биосовместимых материалов и могут, например, убивать раковые клетки. Такими микророботами можно довольно точно управлять с помощью магнитного поля, что делает медицинские операции более безопасными и менее инвазивными. Разработчики стремятся создавать роботов как можно меньшего размера, которыми можно очень точно управлять и которые не нуждались бы в источнике питания, будучи способными черпать энергию прямо из окружающей среды.

Именно по таким принципам группа ученых из США и Нидерландов под руководством Федерико Онгаро (Federico Ongaro) из Университета Твенте разработала микророботов, способных реагировать на изменение температуры окружающей среды, и протестировала их способности к захвату и передвижению, а также их магнитные свойства.

Ученые создали четыре модели металлических микророботов, размер которых варьировался от 100 до 980 микрометров в длину или в поперечнике. При этом у трех моделей было шесть «пальцев», а у одной — всего два. Эти роботы содержат термочувствительные полимеры, которые позволяют фалангам «пальцев» самостоятельно разворачиваться и сворачиваться при изменении температуры, и таким образом производить захват объектов. Роботами можно управлять с помощью камеры Blackfly, трекера и системы управления, которая состоит из оптического микроскопа и четырех электромагнитных катушек с железным сердечником. 

Алгоритм передвижения роботов в замкнутой среде протестировали в виртуальных микролабиринтах со статичными элементами и движущимися частицами, дизайн лабиринта был подобен игре PacMan. Размер каждой стороны лабиринта составлял 20 размеров микроробота. Движениями роботов управлял алгоритм, с помощью которого микророботы должны были автономно передвигаться по лабиринту от заданной точки до целевой, минуя трех агентов, которые то нападали на робота, то разбегались по углам, переходя из одной фазы в другую каждые 5 секунд. Таким образом, алгоритмы не только рассчитывали роботам траекторию движения до целевой точки, но и производили коррекцию с учетом движения агентов.

Способности роботов схватывать частицы и преодолевать сопротивление среды ученые тестировали на плоской поверхности кусочка сыра моцарелла. Ученые манипулировали силой магнитного поля (от слабого изменения в 15 миллитесла до сильного в 1,35 тесла) и рассчитывали коэффициент сопротивления формы (КСФ) для каждой модели.

Шестипалые роботы-«микросхватыватели» диаметром 100 микрометров не справились с задачей захвата объектов, так как не обеспечивали достаточного угла складывания. КСФ оказался сильно зависим от размера робота: КСФ увеличивается наполовину, когда размер уменьшается в 3,9 раза, и в шесть раз, когда размер уменьшается в 9,8 раза. Максимальная скорость микроробота уменьшалась вместе со снижением размера робота. Так, максимальная скорость, которую может развить двупалый робот длиной 750 микрометров, в три раза превосходит максимальную скорость шестипалого робота меньшего размера (250 микрометров в диаметре) благодаря увеличению магнитного объема.

На основании полученных данных ученые также подсчитали, какая сила, теоретически, понадобится для управления этими роботами в крови пациента, если они будут двигаться против кровотока. Для расчетов они взяли среднее значение плотности среды, среднюю скорость кровотока в капиллярах, и предположили, что робот не будет касаться стенок сосудов. Они пришли к выводу, что требуемые силы должны быть меньше максимальной электромагнитной силы для всех, кроме моделей диаметром 100 микрометров. В дальнейшей работе ученые собираются протестировать способности роботов к захвату в трехмерной среде и в условиях сопротивления кровотока и таким образом продолжить адаптацию прототипов под клиническое использование. 

В современной медицине роботы постепенно вытесняют людей из операционных: они самостоятельно вставляют пациентам зубные имплантаты и оперируют свиней. Однако им тоже свойственны ошибки: мы писали о статистике смертей по вине роботов-хирургов, которую предоставили исследователи из Чикаго.

Анна Зинина