Ein Team von Forschern der University of Waterloo hat intelligente, fortschrittliche Materialien entwickelt, die die Bausteine für eine zukünftige Generation weicher medizinischer Mikroroboter sein werden. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie in Naturkommunikation.
Diese winzigen Roboter haben das Potenzial, medizinische Eingriffe wie Biopsien sowie Zell- und Gewebetransporte minimalinvasiv durchzuführen. Sie können sich wie der menschliche Körper durch enge und überflutete Umgebungen bewegen und empfindliche und leichte Fracht wie Zellen oder Gewebe an eine Zielposition befördern.
Die winzigen Softroboter sind maximal einen Zentimeter lang, biokompatibel und ungiftig. Die Roboter bestehen aus fortschrittlichen Hydrogel-Verbundwerkstoffen, die nachhaltige, aus Pflanzen gewonnene Zellulose-Nanopartikel enthalten.
Diese von Hamed Shahsavan, Professor an der Fakultät für Chemieingenieurwesen, geleitete Forschung stellt einen ganzheitlichen Ansatz für den Entwurf, die Synthese, die Herstellung und die Manipulation von Mikrorobotern dar. Das in dieser Arbeit verwendete Hydrogel verändert seine Form, wenn es einer äußeren chemischen Stimulation ausgesetzt wird. Die Fähigkeit, Zellulose-Nanopartikel nach Belieben auszurichten, ermöglicht es Forschern, solche Formänderungen zu programmieren, die für die Herstellung funktionsfähiger weicher Roboter von entscheidender Bedeutung sind.
„In meiner Forschungsgruppe verbinden wir Alt und Neu“, sagte Shahsavan, Direktor des Smart Materials for Advanced Robotic Technologies (SMART-Lab). „Wir führen neue Mikroroboter ein, indem wir traditionelle weiche Materie wie Hydrogele, Flüssigkristalle und Kolloide nutzen.“
Verschiedene Videos der kleinen Softroboter. Bildnachweis: University of Waterloo
Die andere einzigartige Komponente dieses fortschrittlichen intelligenten Materials besteht darin, dass es selbstheilend ist, was die Programmierung eines weiten Bereichs in der Form der Roboter ermöglicht. Forscher können das Material schneiden und wieder zusammenkleben, ohne Leim oder andere Klebstoffe zu verwenden, um verschiedene Formen für verschiedene Verfahren zu bilden.
Das Material kann mit einem Magnetismus weiter modifiziert werden, der die Bewegung weicher Roboter durch den menschlichen Körper erleichtert. Als Beweis dafür, wie sich der Roboter durch den Körper manövrieren würde, wurde der winzige Roboter von Forschern durch ein Labyrinth bewegt, indem er seine Bewegung mithilfe eines Magnetfelds steuerte.
„Chemieingenieure spielen eine entscheidende Rolle dabei, die Grenzen der medizinischen Mikrorobotikforschung voranzutreiben“, sagte Shahsavan. „Interessanterweise erfordert die Bewältigung der vielen großen Herausforderungen in der Mikrorobotik die Fähigkeiten und Kenntnisse, über die Chemieingenieure verfügen, einschließlich Wärme- und Stoffübertragung, Strömungsmechanik, Reaktionstechnik, Polymere, Wissenschaft der weichen Materie und biochemische Systeme. Wir sind also in der einzigartigen Position, innovative Lösungen einzuführen.“ Möglichkeiten in diesem aufstrebenden Bereich.
Der nächste Schritt dieser Forschung besteht darin, den Roboter auf Submillimetermaßstäbe zu verkleinern.
Shahsavans Forschungsgruppe arbeitete mit Tizazu Mekonnen von Waterloo, einem Professor der Fakultät für Chemieingenieurwesen, Professor Shirley Tang, stellvertretende Dekanin für Wissenschaft (Forschung), und Amirreza Aghakhani, einem Professor der Universität Stuttgart in Deutschland, zusammen.
Mehr Informationen:
Rasool Nasseri et al., Programmierbare Nanokomposite aus Cellulose-Nanokristallen und zwitterionischen Hydrogelen für weiche Robotik, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-41874-7