Робототехника в медицине

Это только начало испытаний. В ближайшем  будущем такую «рабочую силу»  можно будет применить с большей  пользой - в медицине. Уже много  лет в лабораториях по всему миру пытаются создать МИКРОРОБОТОВ, которые  смогли бы выполнять различные операции внутри организма пациентов. Дальше простейшихпрототипов у инженеров дело пока не пошло. Теперь ученые получили возможность пойти обходным путем - на смену сложным и неэффективным устройствам приходят микроорганизмы.

Возведенное бактериями строение можно  разглядеть только под микроскопом. Оно напоминает египетскую пирамиду. Сходство не случайно. «Пирамиды - один из первых шагов человека к созданию действительно сложных конструкций, - рассказывает Сильван Мартель. - Мы подумали, что будет символично, если микроорганизмы выполнят именно такое задание». Настоящие пирамиды сооружали многие годы. Бактерии управились с моделью за 15 минут. Это, несмотря на то, что строительные блоки были куда крупнее самих «рабочих».

Микроорганизмы работали сообща. Под  микроскопом 5000 бактерий выглядели  как сплошное темное облако. Вот  этот рой нависает над одним из «кирпичей». В следующую секунду  микробы начинают медленно, но верно  толкать блок на заданное в чертеже  место. «Мы пока только обкатываем технологию, - говорит Мартель. - В принципе, все то же самое можно делать значительно быстрее».

Секрет успеха - в выдающихся способностях этих микроорганизмов. Канадские ученые используют в работе бактерии Magnetospirillum magnetotacticum. «Оказалось, это настоящие рекордсмены, - объясняет Мартель. - Они движутся на порядок быстрее других бактерий». Кроме того, эти микроорганизмы чувствительны к магнитным полям - они в больших количествах накапливают в себе соединения железа. Ученые пока не очень хорошо понимают, зачем это нужно самим микробам. Зато теперь понятно, как такую особенность может использовать человек. С помощью магнитного поля Мартель заставляет бактерии разворачиваться в нужную сторону. Дальше они двигаются самостоятельно - у них есть специальные жгутики, работающие, как гребные винты кораблей.

Они могут перемещаться не только в капле воды под микроскопом. Канадский ученый ввел бактерии в  кровь лабораторных крыс и с помощью  магнитного поля заставил микробов маневрировать  в сосудах. Оказалось, бактерии способны двигаться даже против течения. Правда, преодолевать поток им удавалось только в небольших капиллярах, где кровь циркулировала медленно. В крупных артериях «пловцов» безнадежно сносило - скорость жидкости там достигала нескольких десятков сантиметров в секунду. Размножаться в крови эти микробы не способны, поэтому на здоровье грызунов их присутствие не повлияло. Микроорганизмы некоторое время двигались по сосудам, а затем погибли.

Эффективности бактериальных двигателей позавидует любой инженер. «Главная проблема, о которую разбиваются  попытки создать медицинских  МИКРОРОБОТОВ, - их габариты, - рассуждает Владимир Лобаскин, физик из Университетского колледжа Дублина. - Требования к размеру этих устройств таковы, что для них очень непросто создать достаточно мощный мотор». Сам Лобаскин занимается теоретическими расчетами эффективности как раз таких вот микроскопических двигателей. «Технические характеристики» бактерийМартеля произвели на физика большое впечатление: «Это практически готовая система для решения медицинских задач».

Похоже, разработчикам настоящих МИКРОРОБОТОВ на это действительно нечем ответить. Один из самых последних прототипов был создан несколько лет назад в швейцарском Институте робототехники и интеллектуальных систем. Он представляет собой крошечную металлическую спираль, которую можно разглядеть только под очень мощным микроскопом. Попав в переменное магнитное поле, она начинает вращаться и работать, как пропеллер. Направлением движения этого устройства тоже можно управлять с помощью магнитов.

Со временем разработчики рассчитывают использовать его для доставки лекарств в различные ткани человеческого организма. Пока получается не очень хорошо. Эти изделия примерно в десять раз медленнее «живых роботов», с которыми работают в Канаде. О маневрах в кровеносных сосудах говорить даже не приходится. В этом нет ничего удивительного, уверен Мартель. За миллионы лет эволюция хорошо поработала над бактериями. Быстро создать такое же совершенное искусственное устройство будет очень непросто.

Именно поэтому биотехнологи из корейского Национального университета Чуннам попробовали совместить в своей работе два противоположных подхода. Созданный ими прототип медицинского МИКРОРОБОТА построен из синтетического полимера и клеток сердечной мышцы человека - кардиомиоцитов. Клетки натянуты на гибкий пластиковый каркас на специальных ножках. Сокращаясь, клетки приводят в движение всю конструкцию, и устройство начинает перебирать ногами. Разработчики предполагают, что в будущем подобные роботы смогут путешествовать по кровеносным сосудам человека, цепляясь за стенки. Функционировать такие изделия смогут очень долго - «клеточный двигатель» использует в качестве топлива растворенную в крови глюкозу.

«Всего несколько лет назад  разговоры о роботах, доставляющих лекарства в определенные точки  организма, казались фантазиями, - говорит  Алексей Снежко, физик из Аргоннской национальной лаборатории (США). - Теперь понятно, что в самое ближайшее время их начнут испытывать на людях».

Как это будет выглядеть, понятно  уже сейчас. В одном из последних  опытов Сильван Мартель и его коллеги ввели бактерии в организм больной раком крысы. А затем поместили ее в медицинский томограф. Эти приборы используют сильные магнитные поля для построения трехмерных карт организма пациента. После небольшой переделки установка превратилась в командный пункт для микробов. С ее помощью ученые провели бактерии по кровеносной системе грызуна прямо в район опухоли. Микроорганизмы доставили к пораженной области учебный груз - флуоресцирующее вещество. Вскоре Мартель планирует повторить эксперимент. На этот раз бактерии будут нести противоопухолевый препарат.

Так же нанотехнологи продемонстрировали довольно впечатляющие образцы электронной кожи. Электронная кожа впервые ощутила прикосновения бабочки

 

 

Решётка из тончайших полупроводниковых  нитей, совмещённая с электродами  и меняющей в ответ на давление проводимость резиной типа PSR (вверху) превращена калифорнийскими умельцами  в "лоскут кожи" (внизу) (иллюстрации  Kuniharu Takei et al./Nature Materials).

 

 

На этом рисунке кожи робота каждый чёрный квадратик соответствует  одному "пикселю", элементарной точке, отвечающей за осязание (иллюстрация  Ali Javey and Kuniharu Takei, UC Berkeley). Чувствительность кожи авторы рекламируют красочной фантазией: робот с таким манипулятором смог бы запросто обращаться с куриным яйцом, не уронив его и не раздавив (иллюстрация Ali Javey, Kuniharu Takei/UC Berkeley).

 

 

Ещё одна иллюстрация чувствительности стэнфордского сенсора: он регистрирует прикосновения перуанской бабочки Chorinea faunus (фото L.A. Cicero/Stanford University).

Уже немало копий сломано вокруг проблемы создания робототехнического аналога самого крупного органа человека. Главный вопрос – как воспроизвести  невероятную чувствительность кожного  покрова, который может ощутить  дуновение ветерка от пролетевшего насекомого? Недавно две исследовательские  группы из Калифорнии одновременно объявили о своих впечатляющих ответах.

Первая команда, из Калифорнийского  университета в Беркли, выбрала в  качестве ключевого элемента для  своей искусственной кожи нанопроводки. Как сообщают учёные в пресс-релизе, они вырастили крошечные германиевые и кремниевые нити на специальном барабане, а затем прокатили этим валиком по подложке – клейкой полиимидной плёнке.

В итоге учёные получили эластичный материал, в структуру которого были включены нанопроводки, играющие роль транзисторов.

Поверх них исследователи нанесли  изолирующий слой с периодическим  рисунком из тонких отверстий, а ещё  выше – чувствительную к прикосновению  резину (PSR).Между резиной и нанопроводками при помощи фотолитографии навели проводящие мостики (для этого и понадобились отверстия в слое изолятора) и, наконец, сдобрили бутерброд тонкой алюминиевой плёнкой – финальным электродом. (Подробности авторы системы представили в статье в Nature Materials).Такой эластичный набор способен определять и точно локализовать участки, к которым прикладывается давление. Имя эта кожа получила банальное и предсказуемое — e-skin. Новая технология позволяет использовать в качестве подложки множество материалов, от пластика до резины, а также включать в её состав молекулы различных веществ, например, антибиотиков (что может оказаться весьма важным).На опытном куске e-skin размером 7 х 7 сантиметров уместилась матрица 19 х 18 пикселей. В каждом из которых содержались сотни наноштырей. Такая система оказалась способна регистрировать давление от 0 до 15 килопаскалей. Примерно такие уровни нагрузки испытывает человеческая кожа при печатании на клавиатуре или удерживании на весу небольшого объекта.

 

Али Джавей (Ali Javey), глава проекта e-skin в Беркли (фото UC Berkeley)

 

Учёные указывают на вполне определённое преимущество своей разработки перед  аналогами. Большинство проектов такого рода полагается на гибкие органические материалы, которым для работы требуется  высокое напряжение.

Синтетическая кожа из Беркли — первая, изготовленная на основе монокристаллических  неорганических полупроводников. Она  функционирует при напряжении всего  в 5 вольт. Но что ещё интереснее —  опыт показал, что e-skin выдерживает до 2000 изгибаний с радиусом 2,5 миллиметра без потери чувствительности.

В качестве очевидной области применения в будущем такой кожи можно  предположить чувствительные манипуляторы, способные оперировать хрупкими предметами.

Сверхаккуратную кибернетическую  руку можно дополнительно оснастить  датчиками тепла, радиоактивности, химических веществ, покрыть тонким слоем лекарств и использовать на "пальцах" роботов-хирургов или  спасателей.

В последнем случае (при работе роботов с людьми) очень важным с точки зрения безопасности окажется тот факт, что электронная кожа из Беркли, как и человеческая, ощущает  прикосновение почти мгновенно (в  течение миллисекунд). В теории она  может полностью покрывать манипулятор  робота или даже всю машину.

 

Вверху: профессор Чжэнань Бао (Zhenan Bao) – лидер стэнфордского проекта. Внизу: такая простая полимерная плёнка с алюминиевыми проводниками послужила отправной точкой в построении новой кожи (фото L.A. Cicero/Stanford University, Stefan C. B. Mannsfeld et al./Nature Materials).

 

Вторая разработка, родом из Стэнфордского университета, использует другой подход. Как сообщают учёные в пресс-релизе, они поместили между двумя электродами слой высокоэластичной формованной резины.

Такая плёнка накапливает электрические  заряды подобно конденсатору. Давление сжимает резину – а это, в свою очередь, изменяет число электрических  зарядов, которые способен хранить  сандвич, что и определяет электроника  благодаря набору электродов.

Описанный процесс позволяет обнаружить легчайшее прикосновение, что учёные доказали на опыте. Они использовали в качестве "тестера" мух. В  ходе эксперимента квадратная матрица  со стороной в семь сантиметров и  в миллиметр толщиной чувствовала  посадку насекомых, весящих всего 20 миллиграммов, и реагировала на их касания с высокой скоростью.

Под микроскопом матрица похожа на поле, усеянное остроконечными пирамидками. В таком материале пирамидок  этих может быть от сотен тысяч  до 25 миллионов на квадратный сантиметр, в зависимости от требуемого пространственного  разрешения.

Такой приём (вместо применения сплошного  слоя резины) был необходим, поскольку  монолитный материал, как выяснилось, терял свои свойства при сдавливании  – точность регистрации зарядов  падала. А свободное пространство вокруг микроскопических пирамид позволяет  им легко деформироваться и восстанавливать  исходную форму после снятия нагрузки.

Гибкость и прочность стэнфордской электронной кожи оказались очень высоки. Её нельзя растягивать, но вполне можно сгибать, обернув ею, например, руку робота.

Авторы электронной кожи из Стэнфорда, чья статьятакже вышла в Nature Materials, отмечают, что достоинства их технологии — дешевизна и широкий диапазон давлений, который способен измерять подобный бутерброд.

А потому в качестве сфер приложения своей разработки учёные видят опять  же хирургических роботов. Но не только. Искусственная кожа могла бы стать  основой электронных бинтов, —  рассуждают американские исследователи, — способных подавать сигнал при  слишком слабом или опасно сильном  затягивании. А ещё подобные сенсоры  могли бы точно фиксировать степень  сжатия руками рулевого колеса, вовремя предупреждая водителя, что он засыпает.

Обе команды утверждают, что ещё  продолжат развивать данное направление  экспериментов. Так что роботы будущего, по всей видимости, всё же получат  кожу, приближённую по возможностям к человеческой. И пусть внешне она будет заметно отличаться от нашей – её чувствительность придаст новый смысл понятию робот-андроид.

Сенсационное заявление дала компания по производству видеокарт для компьютеров. Не успели написать о первой хирургической  операции, проведенной исключительно  «руками» роботов, как NVIDIA приготовила  другую «бомбу» из мира медицины. На калифорнийской конференции GTC 2010 производитель  графических чипов озвучил весьма смелую идею – проводить операцию на сердце… без остановки сердца и вскрытия грудной клетки!

Робот-хирург будет производить  операцию с помощью манипуляторов, подведенных к сердцу через небольшие  отверстия в груди пациента. Технология визуализации «на лету» оцифровывает бьющееся сердце, демонстрируя хирургу  трехмерную модель, по которой он может  ориентироваться точно так же, как если бы смотрел на сердце через  вскрытую грудную клетку. Основная сложность заключается в том, что сердце совершает большое  количество движений за короткое время  – но, по словам разработчиков, мощности современных вычислительных систем на базе графических процессоров NVIDIA хватит, чтобы визуализировать орган, синхронизируя движения инструментов робота с биением сердца. За счет этого создается эффект неподвижности  – хирургу без разницы, «стоит»  сердце или работает, ведь манипуляторы робота совершают аналогичные движения, компенсируя биение!

Пока вся информация об этой невероятной  технологии состоит из коротенькой  видеодемонстрации, но мы будем с нетерпением ожидать новых сведений от NVIDIA. Кто бы мог подумать, что совершить революцию в хирургии задумала компания-производитель видеокарт…