Harte Schale, weicher Kern: Flexibler Medizinroboter macht einen auf Schuppentier
Das Entwicklungsteam bezeichnet ihn als Durchbruch in der modernen Medizin: Forschende haben einen Medizinroboter entwickelt, der vom Schuppentier inspiriert wurde. Er ist lediglich zwei Zentimeter groß und besitzt eine harte, flexible Schale und einen weichen Kern.
Schuppentier die Inspiration für Medizinroboter.
Foto: MPI-IS
Forscherende vom Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme (MPI-IS) in Stuttgart haben einen Softroboter entwickelt, der mit Magneten gesteuert wird. Dieser Roboter hat einen einzigartigen und flexiblen Körperbau, ähnlich dem eines Schuppentiers. Obwohl er harte Metallelemente enthält, ist er dennoch sehr beweglich. Durch das Magnetfeld kann er Wärme abgeben und seine Form an verschiedene Aufgaben anpassen. Zum Beispiel kann er Ladungen aufnehmen und gezielt freisetzen oder Blutungen stoppen. Die Ergebnisse dieser Forschungsarbeit wurden im Fachjournal Nature Communications veröffentlicht.
Inspirierendes Schuppentier
Schuppentiere sind erstaunliche Lebewesen. Die auch als Tannenzapfentiere bekannten Säugetiere haben eine einzigartige Eigenschaft: Sie sind als einziges Tier dieser Spezies vollständig von harten Schuppen umschlossen. Diese bestehen aus Keratin, dem gleichen Material wie unsere Haare und Nägel. Die Schuppen überlappen sich geschickt und sind direkt mit der weichen Haut darunter verbunden. Diese spezielle Anordnung ermöglicht es den Schuppentieren, sich bei Gefahr zu einer perfekten Kugel zusammenzurollen, um sich zu schützen.
Das Forschungsteam des MPI-IS war insbesondere davon fasziniert, wie sich die Tiere blitzschnell zusammenrollen können. In der Abteilung Physische Intelligenz unter der Leitung von Prof. Dr. Metin Sitti ging es daher unter anderem darum, einen Medizinroboter zu entwickeln, der im Handumdrehen zu einer Kugel wird. Dazu sollte er ebenfalls weiche und harte Komponenten wie das Schuppentier aufweisen. Als Zusatzfunktion sollte der Roboter noch bei Bedarf Wärme absondern.
Das ist das Ergebnis
In der im Fachjournal Nature Communications veröffentlichten Forschungsarbeit haben Forschende unter der Leitung von Ren Hao Soon ein rechteckiges Plättchen präsentiert. Das ist noch nicht weiter spektakulär. Dieses winzige Plättchen misst allerdings nicht mehr als zwei Zentimeter und besteht aus zwei Schichten. Die erste Schicht besteht aus einem weichen Polymer, das mit winzigen Magnetpartikeln durchsetzt ist, während die zweite Schicht aus überlappend angeordneten harten Metallelementen besteht. Obwohl der Roboter aus Metall besteht, ist er daher dennoch erstaunlich weich und flexibel.
Dank eines Magnetfelds mit niedriger Frequenz können die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler den Roboter aufrollen und in jede gewünschte Richtung bewegen. Die Metallelemente richten sich dabei ähnlich wie die Schuppen eines Tieres auf, ohne das umgebende Gewebe zu beeinträchtigen. In der zusammengerollten Form ist der Roboter in der Lage, verschiedene Partikel wie beispielsweise Medikamente aufzunehmen und zu transportieren. Die langfristige Vision besteht darin, dass solch eine winzige Maschine eines Tages möglicherweise durch unser Verdauungssystem navigieren könnte.
Die Abbildung zeigt den Schuppentier-inspirierten frei beweglichen magnetischen Roboter, der im Dünndarm arbeitet.
Foto: MPI-IS
Das kann der Roboter sonst noch
Wenn der Roboter einem Magnetfeld mit hoher Frequenz ausgesetzt wird, kann er dank seiner eingebauten Metallelemente eine beeindruckende Temperatur von über 70 Grad Celsius erreichen. Diese Fähigkeit, Wärme zu erzeugen, findet in verschiedenen medizinischen Verfahren Anwendung, beispielsweise zur Behandlung von Thrombosen, um Blutungen zu stoppen oder Tumorgewebe zu entfernen. Die Kombination aus freier Beweglichkeit und der Fähigkeit, trotz harter Metallelemente Wärme abzugeben, ist äußerst selten bei Robotern.
Genau hier kommt der Schuppentier-Roboter ins Spiel, der vom Forschungsteam als vielversprechender Durchbruch in der modernen Medizin bezeichnet wird. Durch seine einzigartigen Eigenschaften könnte er eines Tages minimalinvasiv und schonend selbst die engsten und sensibelsten Bereiche des Körpers erreichen. Dort könnte er je nach Bedarf gezielt Wärme abgeben. Diese Vision der Zukunft eröffnet laut den Autoren der Forschungsarbeit neue Möglichkeiten für präzise und effektive Behandlungen.
Warum muss der Roboter zwei Schichten haben?
Miniatur-Softroboter, die magnetisch gesteuert werden können und in schwer zugängliche Bereiche vordringen, bieten die Möglichkeit für sichere, schonende und minimalinvasive medizinische Verfahren. Allerdings stellt der weiche Körper dieser Roboter eine Herausforderung dar, wenn es darum geht, nichtmagnetische externe Stimulationsquellen zu integrieren, was wiederum die Funktionen solcher Roboter einschränken kann.
Eine wichtige Funktion ist die lokale Wärmeerzeugung, die zur Verbesserung der Effizienz fester metallischer Materialien bedarf. Doch der Einsatz solcher Materialien beeinflusst die Flexibilität und Sicherheit von Softrobotern negativ. Um diesen scheinbar widersprüchlichen Anforderungen gerecht zu werden, haben die Forschenden das Design entwickelt, das sich vom Schuppentier inspirieren lässt. Das Ergebnis ist der vorgestellte, zweischichtige Softroboter.
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