Übertrifft die „Vorgänger“, nur 7,8 mm! Neuer kabelloser amphibischer Origami-Roboter kann sich drehen und rollen

Wenn wir an Roboter denken, kommen uns wahrscheinlich vor allem riesige Maschinen in den Sinn, die ohne große Intelligenz immer wieder dieselben Aufgaben ausführen.

Dies ist jedoch nicht der Fall.

In der Welt der Roboter gibt es auch eine Klasse von Mikrorobotern, die extrem klein (vielleicht nur Nanometer), aber sehr flexibel sind. Sie können sich nicht nur in flüssigen Umgebungen frei bewegen und Aufgaben wie das Aufnehmen und Transportieren von Objekten erledigen, sondern sie können auch mit sehr hoher Geschwindigkeit, Präzision und Agilität durch Magnetfelder und Licht angetrieben werden.

Aufgrund ihrer geringen Größe und vielfältigen Funktionen sind Mikroroboter zu einem der aktuellen Forschungsschwerpunkte im Bereich der Robotik geworden. Von ihnen wird erwartet, dass sie eine Vielzahl von Aufgaben erfüllen und über zahlreiche potenzielle biomedizinische Anwendungen verfügen.

Allerdings erfordern bestehende Origami-Roboter komplexe Systeme, um vielseitig einsetzbar zu sein, und verfügen über eingeschränkte Bewegungsmodi, sodass sie sich nicht gleichzeitig an Land und im Wasser bewegen können.

Nun hat ein Forschungsteam der Stanford University dieses Problem gelöst, indem es einen neuen Typ eines drahtlosen amphibischen Origami-Roboters im Millimetermaßstab entwickelt hat.

Berichten zufolge kann dieser Amphibienroboter mithilfe von Magneten und Origami-Faltungen multidirektionale, auf Rotation basierende Bewegungen ausführen, sich in einer Vielzahl von Umgebungen bewegen und eine Reihe von Aufgaben erfüllen, wie etwa die kontrollierte Verabreichung flüssiger Medikamente und den gerichteten Transport fester Güter.

Die zugehörige Forschungsarbeit wurde in der Fachzeitschrift Nature Communications unter dem Titel „Spinning-enabled wireless amphibious origami millirobot“ veröffentlicht.

(Quelle: Nature Communications)

Das Forschungsteam sagte, dass der neue Origami-Roboter im Millimetermaßstab in Zukunft als minimalinvasives Gerät für die biomedizinische Diagnose und Behandlung eingesetzt werden könnte.

Je kleiner und einfacher, desto besser

Wenn Sie schon einmal eine runde Pille geschluckt haben, in der Hoffnung, dass sie Ihr Leiden – von Magenkrämpfen bis hin zu Kopfschmerzen – heilen würde, wissen Sie, dass die meisten Medikamente nicht darauf ausgelegt sind, Schmerzen und Krankheiten an einer bestimmten Stelle zu behandeln.

Obwohl in den letzten Jahrzehnten viele Krankheiten mit rezeptfreien Medikamenten geheilt werden konnten, erforschen Wissenschaftler auch Methoden zur gezielten Verabreichung von Medikamenten, mit denen sich komplexe Krankheiten wie Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Krebs präzise behandeln lassen. Mikroroboter sind dabei eine wichtige Richtung.

Anders als beim Schlucken einer Tablette oder beim Injizieren einer Flüssigkeit behalten medikamentenverabreichende Mikroroboter das Medikament, bis es sein Ziel erreicht, und geben es dann in hoher Konzentration ab.

In dieser Forschungsarbeit hat der neue Origami-Roboter im Millimetermaßstab einen Querschnittsdurchmesser von nur 7,8 mm und besteht aus einem Kresling-Origami-Muster (ein aus Dreiecken bestehender Hohlzylinder) und einer daran befestigten Magnetscheibe.

Gleichzeitig kann der neue Origami-Roboter im Millimetermaßstab durch Ausnutzung der Falt- und Entfaltungsfähigkeiten des Kresling-Origami nicht nur Aktionen wie Rollen, Umdrehen und Rotieren ausführen, sondern auch flüssige Medikamente durch Pumpen verabreichen.

Das Forschungsteam betonte außerdem, dass die Rotationsbewegung einen Adsorptionsmechanismus bietet, der zur Frachtlieferung genutzt werden könnte.

Wie in der Abbildung unten gezeigt, kann sich der neue Origami-Roboter im Millimetermaßstab entlang einer bestimmten Flugbahn bewegen oder Medikamente verabreichen.

Abbildung ｜ Adaptive Bewegung im Wasser

Figur｜Klettern

Abbildung ｜ Richtungstransport von flüssigen Medikamenten im Wasser

Darüber hinaus kann der neue Origami-Roboter im Millimetermaßstab sowohl an der Oberfläche als auch unter Wasser oder im mit Schleim gefüllten Schweinemagen normal funktionieren.

Abbildung ｜ Amphibischer Gütertransport

Abbildung: Bewegung in einem Schweinemagen mit zäher Flüssigkeit

Das Forschungsteam sagte, dass die Bahnbrechendkeit dieser Forschungsarbeit darin liege, dass sie über die meisten Origami-basierten Roboterdesigns hinausgehe, bei denen bisher lediglich die Faltbarkeit von Origami genutzt wurde, um die Verformung und Bewegung des Roboters zu steuern.

Das Forschungsteam untersuchte nicht nur, wie die Falten dem Roboter die Ausführung bestimmter Aktionen ermöglichen, sondern berücksichtigte auch, wie sich die Abmessungen der genauen Form jeder Falte auf die starre Bewegung des Roboters im entfalteten Zustand auswirken.

Ein weiteres einzigartiges Design des neuen Origami-Roboters im Millimetermaßstab ist die Kombination bestimmter geometrischer Merkmale. Das Längsloch in der Mitte und die seitlichen, nach oben geneigten Schlitze können den Flüssigkeitswiderstand verringern und so eine bessere Bewegung des Roboters gewährleisten.

Berichten zufolge bietet der Roboter nicht nur eine bequeme Möglichkeit, Medikamente effektiv zu verabreichen, sondern kann auch dazu verwendet werden, Instrumente oder Kameras in den Körper zu transportieren und so die Art und Weise zu verändern, wie Ärzte Patienten untersuchen.

Das Team arbeitet außerdem daran, die Bewegungen des Roboters mithilfe von Ultraschallbildern zu verfolgen, ohne Organe aufschneiden zu müssen.

Wir freuen uns auf die nächsten 10 Jahre

Die Robotik ist eine zukunftsweisende Disziplin, deren Ziel es ist, der Menschheit bei der Bewältigung einer Reihe großer Herausforderungen, insbesondere im medizinischen Bereich, zu helfen.

Im vergangenen November analysierte die Harvard Medical School in einem Übersichtsartikel acht wichtige Forschungsthemen im Bereich der medizinischen Robotik von 2010 bis 2020 und gab einen Überblick über die vielen spannenden Fortschritte, die Wissenschaftler in den letzten 10 Jahren auf dem Gebiet der medizinischen Robotik erzielt haben.

Die acht wichtigsten Forschungsthemen sind: Roboter-Laparoskopie, nicht-laparoskopische Roboter für minimalinvasive Chirurgie, unterstützende tragbare Roboter, therapeutische Rehabilitationsroboter, Kapselroboter, magnetisch angetriebene Roboter, Softroboter und Kontinuumsroboter.

Abbildung | Beispiele für klinische Anwendungen von 8 wichtigen Forschungsthemen (Quelle: Science Robotics)

Unter ihnen wird die magnetisch angetriebene Robotertechnologie immer ausgereifter und die Zahl der technischen und medizinischen Veröffentlichungen wächst exponentiell. Ihr Entwicklungstrend hängt jedoch in gewissem Maße davon ab, ob die klinische Anwendung von Mikrorobotern schnell weiterentwickelt werden kann.

Von den über 19.000 technischen Dokumenten zur medizinischen Robotik seit 1990 können nur wenige als auf bereits kommerziell erhältliche medizinische Roboter anwendbar angesehen werden, und selbst diejenigen mit großer technischer Bedeutung weisen nur wenige Patentzitate auf.

Dieses Phänomen kann zum Teil auf die erhebliche Verzögerung zwischen der Technologieentwicklung und den entsprechenden kommerziellen Anwendungen oder auf die Diskrepanz zwischen der Technologieforschung und der Realität der Kommerzialisierung medizinischer Geräte zurückzuführen sein.

Daher erfordert die Anwendung der Robotertechnologie in der klinischen Praxis mehr als nur das Verfassen häufig zitierter Forschungsartikel. Stattdessen müssen echte klinische Bedürfnisse ermittelt und entsprechende Technologien entwickelt werden, um diese Bedürfnisse zu erfüllen.

Aktuelle Trends in der magnetischen Betätigung lassen darauf schließen, dass auch die Forschung an Kathetern und Endoskopen mit magnetischer Spitze zu ihren Wurzeln zurückkehrt. Dies ermöglicht es den Wissenschaftlern, in kleinerem Maßstab kostengünstigere medizinische Geräte herzustellen als komplexe Geräte mit Drahtzug- oder Motorunterstützung, die ohne Gefahr in den gesamten menschlichen Körper eindringen können.

In den nächsten zehn Jahren werden wir möglicherweise erleben, dass magnetisch angetriebene Robotertechnologie wirksamere medizinische Behandlungen ermöglicht und so die Kommerzialisierung und klinische Anwendung beschleunigt.

Quellen:

https://www.nature.com/articles/s41467-022-30802-w

https://news.stanford.edu/press/view/44011

https://mp.weixin.qq.com/s/woC7712grcw1IzHKLF6Pig