Ученые из Института интеллектуальных систем Макса Планка в Штутгарте разработали мягкого медицинского робота с магнитным управлением и уникальной гибкой структурой, напоминающей тело панголина. Робот свободно перемещается, несмотря на встроенные компоненты из твердого металла. Таким образом, в зависимости от магнитного поля он может адаптировать свою форму, чтобы иметь возможность двигаться, и при необходимости может излучать тепло, что позволяет выполнять такие функции, как выборочная транспортировка и выпуск груза, а также уменьшение кровотечения.
Панголины — удивительные существа. Это животное похоже на ходячую сосновую шишку, так как это единственное млекопитающее, полностью покрытое твердой чешуей. Чешуя состоит из кератина, точно так же, как наши волосы и ногти. Чешуйки перекрываются и непосредственно связаны с нижележащим слоем мягкой кожи. Это специальное расположение позволяет животным свернуться в клубок в случае опасности.
Хотя у панголинов есть много других уникальных особенностей, исследователи из отдела физического интеллекта Института интеллектуальных систем им. Макса Планка в Штутгарте, которым руководит профессор, доктор Метин Ситти, были особенно очарованы тем, как панголины могут сворачивать свои покрытые чешуей тела. в мгновение ока. Они взяли животное в качестве модели и разработали гибкого робота, состоящего из мягких и твердых компонентов, которые, как и животное, в мгновение ока становятся сферой — с дополнительной функцией, заключающейся в том, что робот может излучать тепло при необходимости.
В исследовательской статье, опубликованной в Связь с природой, первый автор Рен Хао Сун и его коллеги представляют конструкцию робота длиной не более двух сантиметров, состоящую из двух слоев: мягкого слоя из полимера, усыпанного мелкими магнитными частицами, и жесткого компонента из металлических элементов, расположенных внахлест слои. Таким образом, хотя робот изготовлен из твердых металлических компонентов, он все же мягкий и гибкий для использования внутри человеческого тела.
На рис. 1 показан отвязанный магнитный робот, вдохновленный панголинами. Концептуальная иллюстрация вдохновленного панголинами робота, работающего в тонкой кишке. Робот приводится в действие низкочастотным магнитным полем и дистанционно нагревается высокочастотным магнитным полем. Тело панголина состоит из отдельных перекрывающихся твердых кератиновых чешуек. Робот, вдохновленный этим перекрывающимся дизайном, показан справа. Изображения панголинов используются по стандартной лицензии Shutterstock.
Когда робот подвергается воздействию низкочастотного магнитного поля, исследователи могут свернуть робота и перемещать его вперед и назад по своему усмотрению. Металлические элементы торчат, как чешуя животного, не повреждая окружающие ткани. Свернутый робот может транспортировать такие частицы, как лекарства. Видение состоит в том, что такая маленькая машина однажды будет путешествовать, например, по нашей пищеварительной системе.
Двойной полезный: свободно перемещаемый и горячий
Когда робот подвергается воздействию высокочастотного магнитного поля, он нагревается до температуры более 70°C благодаря встроенному металлу. Тепловая энергия используется в ряде медицинских процедур, таких как лечение тромбоза, остановка кровотечения и удаление опухолевой ткани. Непривязанные роботы, которые могут свободно двигаться, даже несмотря на то, что они сделаны из твердых материалов, таких как металл, и могут излучать тепло, встречаются редко. Поэтому робот-панголин считается перспективным для современной медицины. Однажды он сможет проникнуть даже в самые узкие и самые чувствительные области тела минимально инвазивным и щадящим способом и излучать тепло по мере необходимости. Это видение будущего. Уже сегодня в видео исследователи показывают, как они могут гибко управлять роботом через ткани животных и искусственные органы.
Цель Института интеллектуальных систем им. Макса Планка состоит в том, чтобы исследовать и понять принципы организации интеллектуальных систем и лежащий в их основе цикл «восприятие-действие-обучение».