Оригами и пьезоактуаторы позволили создать миниатюрный аппарат для микрохирургии
Японские и американские инженеры разработали компактный манипулятор для проведения хирургических операций с точностью до 26,4 микрометра. Он работает на базе небольших пьезоэлектрических актуаторов, поэтому его масса составляет всего 2,4 грамм, рассказывают авторы статьи в Nature Machine Intelligence.
При микрохирургических операциях врачи работают с небольшими органами и их участками, например, с нервными окончаниями или капиллярами. Отслеживать ход операции просто: для этого применяют микроскопы, которые относительно удобно подвешиваются над пациентом. Но само хирургическое вмешательство требует от врача крайне точных и аккуратных движений, поэтому даже небольшой тремор может усложнить операцию и повысить вероятность ошибки. Для микрохирургии существуют вспомогательные роботы, которыми управляет хирург, но они почти всегда массивны и дороги.
Хироюки Сузуки (Hiroyuki Suzuki) из компании Sony и Роберт Вуд (Robert Wood) из Гарвардского университета продемонстрировали прототип миниатюрного манипулятора для глазных микрохирургических операций. В его основе лежит оригами-конструкция. Сначала инженеры создали композитный лист, в центре которого располагается полиимидная пленка, а по обе стороны от нее наклеен углеволоконный слой. После создания листа в нем сделали прорези и затем части листа собрали в объемную конструкцию. В таком положении проявляется преимущество конструкции с гибкой пленкой и жестким углеволокном: она работает как амортизированный петлевой механизм.
Конструкция имеет три степени свободы благодаря трем линейным пьезоэлектрическим актуаторам, работающим на эффекте прилипания-скольжения. Основные два компонента актуатора — это направляющий рельс и закрепленный на нем подвижный блок. В блоке установлена простая спиральная пружина, которая несильно прижимает его к рельсу, а также два фотопрерывателя, которые излучают и принимают сигнал, а в случае, если прием прервался, регистрируют это. Они нужны для отслеживания перемещения блока по рельсу: для этого в нем с двух сторон есть два набора отверстий, причем смещенных относительно друг друга.
Основание рельса соединено с полоской из пьезоэлектрического материала, который под действием напряжения расширяется или сжимается. Именно он отвечает за движение блока: для движения вперед напряжение поля увеличивается постепенно и блок двигается вперед вместе с рельсом, а после этого пьезоэлектрик резко сокращается, прижимной силы пружины становится недостаточно и блок остается на месте, а рельс возвращается назад. При этом фотопрерыватели подсчитывают пройденное расстояние благодаря тому, что отверстия в рельсе во время его движения сдвигаются относительно датчиков. Для движения назад используется обратная схема. Два таких актуатора прикреплены к трем разным частям конструкции, а третий закреплен на конце и на нем можно расположить иглу или другой инструмент для операции.
Благодаря такой конструкции масса устройства составляет всего 2,4 грамм, а ее размеры — семь сантиметров в длину и по пять в ширину и высоту. Небольшие размеры и актуаторы позволяют крайне точно управлять положением иглы. Например, часть иглы можно задавать как центр движения и вращать остальную конструкцию вокруг него. Инженеры оценили точность аппарата, разместив на середине и конце иглы два маркера, и отследив их движения с помощью двух камер. Сравнив команды с реальным движением они определили, что среднеквадратическое отклонение составляет около 0,53 угла и 24,6 микрометра. Также они установили, что максимальная сила аппарата составляет 0,17 ньютона.
Разработчики показали два наглядных примера возможностей аппарата. В одном они сравнили точность движения иглы по квадрату со стороной 0,5 миллиметра под управлением человеческой руки и аппарата, и выяснили, что аппарат передвигается намного точнее. Во втором они показали, что силы актуаторов достаточно, чтобы игла проткнула небольшой силиконовый сосуд.
Похожие компоненты, в том числе пьезоэлектрические актуаторы и гибкие механические передачи из композитов, также используются в проектах по созданию микророботов. В том числе их создает группа автора этой работы Роберта Вуда. Недавно его команда инженеров создала миниатюрного четвероногого робота HAMR-Jr весом всего 320 миллиграмм.
Григорий Копиев
Также на когнитивное снижение повлияли варианты Гена APOE: аллель APOE4 его ускорила, а аллель APOE2 — замедлила
Исследователи из Колумбии и США изучили, как генотип аполипопротеина и годы образования влияют на когнитивные функции при наследственной болезни Альцгеймера. Выяснилось, что у носителей мутации PSEN1 E280A, связанной с семейной болезнью Альцгеймера, когнитивное снижение наступает раньше и развивается быстрее, если у них в то же время есть аллель APOE4, а у таких же носителей, но с аллелью APOE2, это снижение происходит медленнее. Также более медленное снижение когнитивных способностей было характерно для пациентов, которые больше лет жизни потратили на учебу, — и это к тому же ослабляло влияние особенно опасных вариантов APOE. Результаты опубликованы в Nature Communications. При семейной или наследственной болезни Альцгеймера (БА) когнитивный спад наступает рано и за несколько лет прогрессирует до слабоумия. Семейную болезнь Альцгеймера вызывают некоторые мутации, например, мутация E280A в гене мембранного белка пресенелина PSEN1. Еще один ген, влияющий на развитие и течение БА — ген белка аполипопротеина Е (APOE). Разные варианты этого гена связаны с большим или меньшим риском спорадической (ненаследственной) болезни Альцгеймера: аллель APOE4 повышает риск, а аллель APOE2 снижает его. О том, как варианты APOE влияют на развитие семейной БА известно мало. Одно небольшое исследование показало, что деменция у носителей мутации PSEN1 E280A наступает раньше, если у них есть аллель APOE4. Другое исследование не обнаружило влияния APOE4, но выявило, что аллель APOE2 задерживает клиническое начало заболевания примерно на 8 лет. Кроме того, на развитие БА влияют другие факторы: образ жизни, социально-экономические условия и другие показатели здоровья. Стефани Лангелла (Stephanie Langella) из Гарвардской медицинской школы вместе с коллегами из Колумбии и США решила выяснить, как варианты APOE и количество лет учебы влияют на когнитивные показатели пациентов с наследственной БА (исследователи не выделяли отдельно высшее образование или ученую степень, а смотрели именно на число лет, уделенных образованию). Для этого они проанализировали данные 675 носителей мутации E280A и 594 пациентов, у которых этой мутации не было. Носители и неносители мутации были членами одних и тех же семей. Ученые сравнивали баллы пациентов в краткой шкале оценки психического статуса (MMSE), которую используют для диагностики клинических проявлений деменции. Баллы MMSE у носителей и неносителей мутации PSEN1 E280A начинали различаться уже в возрасте 31,5 года — с этого момента когнитивные показатели носителей снижаются намного быстрее. У пациентов с мутацией E280A, у которых также была аллель APOE4 (141 человек), клиническое начало БА было более ранним, а у пациентов с мутацией E280A, но без аллели APOE4 (534 человека) — наоборот, наступало позже. Расхождения начинались в возрасте 44,3 лет — как раз во столько появляются первые признаки болезни Альцгеймера у пациентов с наследственной формой. Другая аллель, APOE2, напротив, была связана с более медленным когнитивным снижением в группе носителей PSEN1 E280A. А вот когнитивные траектории пациентов без мутации E280A были примерно одинаковыми и не зависели в от варианта APOE. Также исследователи обнаружили, что возраст начала клинических проявлений БА у пациентов с мутацией PSEN1 E280A зависел от количества лет, которые они потратили на учебу. Их когнитивные показатели снижались тем медленнее, чем больше они учились, — и это проявлялось особенно сильно у носителей аллели APOE4 и неносителей APOE2. То есть отрицательный эффект аллели APOE4 ослаблялся. Почти то же было и с неносителями мутаций, связанных с БА: более долгая учеба была связана с более высокими баллами MMSE, но здесь варианты APOE роли не играли. Пока не ясно, как именно аллель APOE4, связанная с большим риском, ухудшает течение семейной болезни Альцгеймера, и как другая аллель — APOE2 — от нее защищает. Но, как видно, большая продолжительность учебы снижает дополнительный риск. А иногда от вредного действия мутаций защищают другие мутации. Недавно исследователи обнаружили мутацию, которая отсрочила развитие семейной болезни Альцгеймера у мужчины. Это был редкий вариант гена RELN — H3447R или RELN-COLBOS. Клинические проявления начались у пациента почти на 20 лет позже обычного. Мужчина был не первым счастливчиком: до этого подобный случай был с женщиной, у нее мутация была как раз в гене APOE.