Robot brengt gericht afleveren van medicatie in lichaam dichterbij

Een nieuwe minuscule robot brengt het gericht afleveren van medicatie op specifieke locaties in het menselijk lichaam een stap dichterbij. De robot kan dankzij zijn ontwerp efficiënt door het menselijk lichaam bewegen. Door de aanwezigheid van uiteenlopende structuren van weefsels en lichaamsvloeistoffen is het menselijk lichaam voor robots een uitdagende omgeving die allerlei obstakels bevat.

Medicatie wordt momenteel niet gericht afgeleverd, waardoor het door het menselijk lichaam moet reizen om zijn doel te bereiken. Deze werkwijze kent belangrijke nadelen. Zo bereikt medicatie niet alleen de bedoelde locatie, maar kan ook gezond weefsel aantasten. Robots maken het mogelijk medicatie gerichter af te leveren. Door medicatie met minuscule robots in het menselijk lichaam te vervoeren naar de gewenste locatie kan medicatie veel nauwkeuriger worden toegediend en dergelijke negatieve bijeffecten worden voorkomen.

Moeilijke omstandigheden voor robots

Het is echter niet eenvoudig een robot door het menselijk lichaam te laten bewegen, onder meer doordat de omstandigheden in het menselijk lichaam de tocht van de robot bemoeilijkheden. Zo krijgt de robot in het lichaam te maken met oppervlaktes die bedekt zijn met lichaamsvloeistoffen als bloed of slijm, waardoor de robot moeilijk grip kan krijgen. Daarnaast moet de robot door ruimtes reizen die gevuld zijn met dergelijke vloeistoffen en ook hier zich efficiënt weten voort te bewegen.

“Het ruwe oppervlak en de variërende textuur van verschillende soorten weefsels in het menselijk lichaam maken transport een uitdaging. Onze meerpotige robot toont indrukwekkende prestaties in uiteenlopende terreinen en maakt een brede reeks toepassingen mogelijk om medicatie in het menselijk lichaam af te leveren”, legt hoogleraar Wang Zuankai van het Department of Mechanical Engineering (MNE) van de City University of Hong Kong (CityU) uit.

Honderden kleine poten

Een onderzoeksteam onder leiding van de CityU heeft een robot ontwikkeld die goed overweg kan met dergelijke omstandigheden en het gebruik van dergelijke robots daarmee dichterbij brengt. De robot is voorzien van honderden kleine poten van minder dan 1 mm lang, die de robot in staat stellen zich efficiënt voort te bewegen door het menselijk lichaam.

De robot is geïnspireerd op de natuur, meldt de universiteit. De onderzoekers hebben honderden landdieren geanalyseerd, waarbij de focus lag op de poten van de dieren. “De meeste dieren hebben een verhouding van 2:1 tot 1:1 tussen de lengte van hun poten en de afstand hiertussen. We hebben daarom besloten onze robot een 1:1 verhouding te geven”, legt Dr. Shen Yajing, als hoogleraar verbonden aan het Department of Biomedical Engineering van CityU. Het onderzoeksteam stond onder leiding van Yajing.

Minimale frictie

De minuscule robot heeft een lichaam van slechts 0,15 mm dik. De poten zijn ieder 0,65 mm lang, terwijl de afstand tussen de benen 0,6 mm bedraagt. Deze poten zijn puntig om hun contactoppervlakte te minimaliseren en daarmee de wrijving die ontstaat op het moment dat de robot door het menselijk lichaam kruipt. De onderzoekers melden op basis van testen in laboratoria dat hun robot zowel onder droge als natte omstandigheden veertig maal minder frictie oplevert dan een robot zonder poten.

Deze testen wijzen ook uit dat de robot in staat is obstakels te beklimmen die tienmaal hoger zijn dan de lengte van zijn poten. Hierbij tilt de robot een deel van zijn lichaam op en plaatst deze onder een hoek van maximaal 90 graden om zijn poten op het obstakel te kunnen zetten en hier overheen te klimmen. De robot is in staat tijdens deze reis een lading te vervoeren die maar liefst honderd maal zwaarder is dan hijzelf, waarmee de robot wat betreft kracht vergelijkbaar is met een mier. Ter vergelijking: dit staat gelijk aan een mens die een minibus met ruimte voor 26 passagiers optilt.

Polydimethylsiloxaan met magnetische deeltjes

De robot is vervaardigd uit een silicone materiaal genaamd polydimethylsiloxaan. Dit is een veelgebruik polymeer waarin silicium is verwerkt. In dit materiaal hebben de onderzoekers magnetische deeltjes geïntegreerd, die het mogelijk maken de robot met behulp van een magneet vanaf buiten het lichaam aan te sturen en naar de gewenste locatie te leiden. De snelheid waarmee de robot zich voortbeweegt kan worden aangepast door de elektromagnetische frequentie te veranderen.

“Zowel het materiaal als het meerpotige ontwerp verbetert de hydrofobische eigenschappen van de robot aanzienlijk. Daarnaast is het rubberen materiaal zacht en kan het eenvoudig worden gesneden om robot van allerlei vormen en afmetingen voor verschillende toepassingen te geven”, zegt Wang.

Op twee manieren voortbewegen

Eenmaal in het lichaam kan de robot zich op twee manieren voortbewegen. Bij de eerste methode beweegt de robot uitsluitend zijn poten aan de voorzijde van zijn lichaam en trekt zichzelf hiermee als het ware voort. Bij de tweede methode ‘loopt’ de robot door zijn rechter- en linkerpoten afwisselend van elkaar te bewegen. Deze laatste werkwijze heeft wat weg van de wijze waarop de mens loopt, waarbij de ene voet telkens voor de andere voet wordt geplaatst.

Het onderzoeksteam wil de robot de komende tijd verder ontwikkelen. Centraal staat hierbij:

• het vinden van een geschikt biologisch afbreekbaar materiaal;
• het bestuderen van nieuwe vormen die de robot kan worden gegeven;
• het introduceren van extra features.

Nadat de robot verder is doorontwikkeld wil het team de robot testen op dieren en uiteindelijk mensen. “We hopen in de komende twee tot drie jaar een biologisch afbreekbare robot te ontwikkelen die op natuurlijk wijze wordt afgebroken zodra het zijn medicatie heeft afgeleverd”, licht Shen toe.

Veel overeenkomsten met Duitse robot

De robot van de CityU lijkt overigens veel op een robot die eerder dit jaar werd gepresenteerd door het Duitse Max Planck Institute for Intelligent Systems. Ook deze minuscule robot kan medicatie gericht in het menselijk lichaam afleveren. Net als de robot van CityU kan deze robot met behulp van een magneet worden aangestuurd dankzij magnetische deeltjes die in het lichaam van de robot zijn verwerkt.

Er zijn meer overeenkomsten. Zo is de robot van het Duitse instituut eveneens in staat over ongelijk terrein en door lichaamsvloeistoffen te navigeren. Net als de robot van CityU is de robot van het Max Planck Institute daarnaast in belangrijke mate geïnspireerd op de natuur. De Duitse onderzoekers hebben gekeken naar de wijze waarop larven van kevers, rupsen en kwallen zich voortbewegen.

De robot van het Max Planck Institute is getest in een kunstmatig chirurgisch model van de menselijke maag en het weefsel van een kip. In beide gevallen wist het onderzoeksteam de robot naar de gewenste bestemming te loodsen door deze met behulp van magnetische velden te sturen. Meer informatie over deze robot is hier te vinden.

Auteur: Wouter Hoeffnagel
Bron: City University of Hong Kong (foto) 
Bron: EurekAlert!
Bron: Max Planck Institute for Intelligent Systems