Die klinischen Anwendungen für Miniatur-Magnetroboter ohne Kabel sind immer noch begrenzt, da die Geräte hauptsächlich auf mechanischen Interaktionen mit dem Körper basieren und nicht beispielsweise auch Wärme nutzen. Magnetfelder können Roboter auch aus der Ferne mit Energie zum Heizen versorgen. Allerdings eignen sich Magnetfelder am besten zum Erhitzen starrer Metallteile, und solche Komponenten nehmen im Allgemeinen den Vorteil eines weichen Körpers zunichte.
Wissenschaftler erforschen zunehmend, wie Miniaturroboter in der Medizin eingesetzt werden könnten – etwa um Medikamente, Gene oder Zellen in den Körper zu transportieren. Vor allem Soft-Roboter versprechen einen sicheren und minimalinvasiven Zugang zu schwer zugänglichen Bereichen.
Die Wissenschaftler hoffen nun, mit Klinikern zusammenzuarbeiten, „um einen echten medizinischen Bedarf zu identifizieren, bei dem solche Roboter nützlich sein könnten“, sagt Soon.
„Wir stellen die ‚völlig weiche‘ Annahme bei weichen Robotern in Frage.“ Bisher ging man davon aus, dass Roboter, die für biomedizinische Anwendungen eingesetzt werden, völlig weich sein müssen.“ – Ren Hao Soon, Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme, Stuttgart
Forscher in Deutschland haben einen kleinen Roboter entwickelt, der Medikamente an bestimmte Stellen im Verdauungstrakt eines Patienten (in diesem Fall) abgeben und dann über von außen angelegte Magnetfelder entfalten kann. Die Inspiration für diesen „Bot“ kam vom Schuppentier, einem schuppigen Säugetier, dessen Rüstung den Körper des Tieres bedeckt und heftig schützt, ihm aber dennoch eine große Bewegungsfreiheit bietet. Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme
In Experimenten erhitzten die Wissenschaftler den Roboter mithilfe hochfrequenter Magnetfelder in weniger als 30 Sekunden auf über 70 Grad Celsius. Sie applizierten diese Magnetfelder aus der Ferne, aus einer Entfernung von mehr als 5 Zentimetern.
Der neue Roboter ist ein kleines flaches Rechteck mit einer Größe von 1 Zentimeter mal 2 Zentimeter mal 200 Mikrometer. Es besteht aus Aluminiumschuppen auf einem flexiblen Körper aus Silikonkautschuk, gemischt mit magnetischen Mikropartikeln und der flüssigen eutektischen Gallium-Indium-Legierung.
Die Wissenschaftler erläuterten ihre Ergebnisse am 20. Juni in der Zeitschrift Nature Communications.
Die Forscher zeigten, dass sie diesen Roboter zusammenrollen konnten, sodass er in eine Pille passt, die verschluckt werden könnte, um ihn an schwer zugänglichen Stellen einzusetzen. Bei Experimenten mit dem Roboter in Schweinemägen aus einem Schlachthof stellten sie fest, dass er Blutungen stoppen kann, und sie schlagen vor, dass er auch bei der Behandlung von Geschwüren, Polypen und Tumoren helfen und andere Bereiche des Darms angreifen könnte.
Am Anfang „konzentrierte ich mich auf Fische und Gürteltiere, da ich mit ihnen besser vertraut war“, erinnert sich der Hauptautor der Studie, Ren Hao Soon, Robotiker am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart. „Sie waren jedoch nicht ideal. Einzelne Fischschuppen waren miteinander verbunden, was ihre mechanische Verformung verringerte. Andererseits bot das Armadillo-Design zwar die erforderliche mechanische Nachgiebigkeit, war jedoch nicht in der Lage, die erforderliche Heizleistung bereitzustellen – um die Heizleistung zu verbessern, musste ein größeres Materialvolumen, beispielsweise Metallschuppen, in das Gerät eingearbeitet werden Roboter.â€
Jetzt haben Wissenschaftler einen winzigen magnetischen Roboter entwickelt, der Hart und Weich kombiniert, indem sie sich vom Schuppentier inspirieren ließen. Das Tier, das einem wandelnden Tannenzapfen ähnelt, ist das einzige Säugetier, das vollständig mit harten Schuppen bedeckt ist. Allerdings ist das Schuppentier immer noch in der Lage, sich flexibel zu bewegen, da es seine Schuppen überlappend anordnet und sich bei Gefahr zu einer Kugel zusammenrollen kann.
Anstatt diese Maschinen über sperrige Kabel oder Batterien anzutreiben, untersuchen Forscher ungebundene Versionen dieser Roboter, die ihre Energie aus der Ferne erhalten, beispielsweise über Licht oder Ultraschall. Magnetfelder haben sich für diese Anwendung als vielversprechend erwiesen, da sie auf sichere Weise in menschliches Gewebe eindringen können.
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Mithilfe niederfrequenter Magnetfelder konnten die Forscher den Roboter zusammenrollen und hin und her bewegen. Einmal zusammengerollt könnte es Fracht wie Medikamente transportieren und beim Erhitzen seinen Inhalt freigeben. Beispielsweise wurden eine 50 Mikrometer dicke und eine 80 Mikrometer dicke Skala in Bienenwachs getaucht, an denen jeweils ein blaues und ein grünes Frachtpaket befestigt waren. Bei magnetischer Erwärmung erreichte das dünnere Paket eine Sekunde schneller die Schmelztemperatur des Bienenwachses als das dickere Paket, sodass der Roboter nur die blaue, nicht aber die grüne Ladung freigab.
Als er sich YouTube-Videos über Fische und Gürteltiere ansah, sagte Soon, er sei „zufällig über das Schuppentier gestolpert, das unseren Zwecken ideal diente.“ Es war ein sehr aufregender Moment für mich, als ich darüber nachdachte. Persönlich gesprochen. Ich habe immer darüber gelesen, wie Wissenschaftler sich von der Natur inspirieren ließen, aber ich hätte nie gedacht, dass ich selbst das auch tun würde.“
Ein von deutschen Forschern entwickelter Kleinroboter bietet die Möglichkeit, Ladungen (z. B. Medikamente) je nach Stärke und Ort eines von außen angelegten Magnetfelds gezielt einzusetzen. Hier ist eine Simulation abgebildet, in der eine blaue Ladung eingesetzt wird, während andere Teile des Bots nicht eingesetzt werden. Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme
„Ich habe immer darüber gelesen, wie sich Wissenschaftler von der Natur inspirieren lassen, aber ich hätte nie gedacht, dass ich selbst das auch tun würde.“ – Ren Hao Soon, Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme, Stuttgart
Einer neuen Studie zufolge könnte eine winzige Roboterversion des schuppigen Säugetiers namens Schuppentier eines Tages medizinische Eingriffe im Körper durchführen.
„Wir stellen die ‚völlig weiche‘ Annahme bei weichen Robotern in Frage“, sagt Soon. „Bisher ging man davon aus, dass Roboter für biomedizinische Anwendungen vollständig weich sein müssen. Während die Nachgiebigkeit weicher Materialien die Sicherheit erhöhen könnte, schränkte sie die Funktionalitäten dieser Roboter stark ein – harte Materialien könnten wünschenswerte Materialeigenschaften haben, die ein vollständig weiches System nutzen kann.“
„Minimalinvasive chirurgische Geräte können mit dem Endoskop und dem Koloskop fast den gesamten Magen-Darm-Trakt erreichen“, sagt Soon. „Allerdings bleibt ein großer Teil des Magen-Darm-Trakts, nämlich der Dünndarm, für diese Geräte immer noch außerhalb der Reichweite, weil er mit diesen Geräten zu mühsam zu erreichen ist.“ „Ungebundene Roboter haben daher die Möglichkeit, bestehende Therapien für Erkrankungen im Dünndarm zu ergänzen oder sogar zu ersetzen.“
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