Microrobotica si nanorobotica - mari provocari ale prezentului si viitorului (II)
Data: 16-28 februarie 2023
Publicăm, în numărul de față, cea de-a doua parte a articolului Microrobotica și nanorobotica - mari provocări ale prezentului și viitorului. Reamintim că, în prima parte, publicată în Nr. 3/2023 al Universului ingineresc, au fost prezentate o serie de aspecte generale, principalele aplicații ale microroboticii, clasificarea microroboților, soluții de acționare, principiile micromanipulării, precum și unele exemple de microroboți, respectiv câteva elemente legate de microroboții medicali de investigare, transport și de intervenție, aceste exemple fiind detaliate și completate în numărul de față.
6.1. Microroboți medicali de investigare, transport și de intervenție
(...)
Microroboții se pot deplasa în organism pe căile magistrale (ale aparatului respirator, ale aparatului digestiv, ale aparatului circulator - prin aortă sau venele cave) sau în spațiile mai mici (din zona aparatului auditiv, unele zone ale aparatului vizual), iar în viitor, la un grad mai mare de miniaturizare, ar putea să pătrundă în structurile organelor interne și structurile țesuturilor (de exemplu, țesuturile musculare).
Ca urmare, acești microroboți pot furniza imagini din zone inaccesibile, prin alte metode (precum cele endoscopice), ale intestinului subțire, anumite părți ale sistemului circulator etc., pot transporta doze de medicamente în zonele țintă sau pot executa intervenții cu ajutorul microinstrumentelor de care dispun (de exemplu, distrugerea unei tumori maligne în stare incipientă).
În funcție de sarcinile îndeplinite, există: microroboți de investigare, microroboți de investigare și transport și microroboți de investigare, transport și intervenție. Dintre aceștia, primii sunt deja operaționali, iar ceilalți sunt în diferite faze de concepție, fabricare sau testare.
Evident că, în funcție de sarcinile pe care le au de îndeplinit, structura este adaptată corespunzător.
a. Microroboți de investigare
Investigarea cu acești roboți, pe lângă accesul în zone de unde nu se pot culege informații cu alte metode (endoscoape, substanțe optic active etc.), are avantajul să furnizeze imagini din imediata vecinătate a structurilor vizate (Fig. 1.6 a), aspect foarte important pentru aprecierea corectă a situației și punerea diagnosticului.
În Fig. 1.6 b este prezentat un microrobot de investigare. Microrobotul de endoscopie, capsulă OMOM, este format din patru părți principale: o capsulă inteligentă, un recorder de înregistrare a imaginilor, un monitor portabil în timp real și o stație de lucru pentru computer. Capsula OMOM are un diametru exterior de 13 mm și o lungime de 27,9 mm și cântărește 6 g. Imaginile sunt, în general, realizate la o rată de 2 cadre/s, deși rata poate fi modificată în timpul investigației, o caracteristică unică a acestui sistem de endoscop cu capsule. Există 14 elemente de receptori plasate aproape de suprafața abdomenului și taliei în jacheta de înregistrare. Durata funcționării bateriei capsulei OMOM este de aproximativ 8 ore, similar cu capsula destinată investigării intestinului subțire de tip PillCam.
În general, o astfel de capsulă-microrobot de investigare este înghițită și se deplasează odată cu desfășurarea procesului de digestie. După ce a ajuns în zona de investigare, cum ar fi intestinul subțire, camera video este activată și pot fi luate mii de imagini color ale conținutului pereților din jurul ei. Imaginile sunt transmise cu ajutorul emițătorului propriu la unul exterior atașat la un dispozitiv de stocare purtat la o centură pe toată durata testului. În orice moment după încetarea transmiterii, aproximativ zece ore, capsula fiind deja în intestinul gros (colon), imaginile din dispozitivul de stocare pot fi descărcate într-un calculator special, unde sunt analizate de către doctor. În timpul testului, pacientul își desfășoară activitatea normal. Microcapsula după un timp este eliminată natural, dar este nereutilizabilă.
Microrobotul poate fi folosit la diagnosticarca colicilor, înțelegerea durerilor abdominale, depistarea tumorilor intestinale, anemiilor cauzate de deficitul de fier și hemoragiilor interne. Se pot depista, astfel, multiple afecțiuni apărute în intestin până la extinderea lor la colon, unde pot fi mai ușor de diagnosticat, dar poate prea târziu.
Perspectivele acestor microroboți sunt foarte încurajatoare.
b. Microroboți de transport
Acești microroboți pot transporta o anumită cantitate dintr-un medicament la o anumită zonă țintă, unde o livrează integral sau în doze succesive. Un exemplu de astfel de microrobot este așa denumita pilula torpila descrisă în literatura de specialitate și care este destinată tratării infecțiilor intestinale.
Microrobotul are 2 cm lungime și în jur de 1 cm în diametru și este alcătuit din următoarele componente principale: un container pentru medicament, un dispozitiv de eliberare a medicamentului, o antenă și un eventual emițător. Învelișul exterior este rezistent la acțiunea acidului gastric. Deplasarea este pasivă, prin alimente. Microrobotul pilulă este urmărit în timp ce se deplasează pe un monitor care primește informații de la un dispozitiv de detectare cu ultrasunet sau raze X. Un alt exemplu de microrobot de transport este arătat în Fig. 1.7, caz în care deplasarea este asigurată de o elice elicoidală.
c. Microroboți de intervenție
Sunt cele mai complexe microstructuri robotice și, pe lângă funcția de intervenție, pot avea funcție de investigare
și/sau funcție de transport. Microroboții medicali de acest fel au, de obicei, surse proprii de propulsie sau sunt dirijați indirect din exterior. Un exemplu de astfel de microrobot este format din: o sursă de energie (microbaterii), o unitate de amplificare, depozitele de medicamente, microvalve, unitatea senzorială, microaparatul de extracție probe și tuburile de evacuare a medicamentelor. Microrobotul are forma unei microtorpile cu 10 mm lungime și 5 mm în diametru.
Microrobotul are de îndeplinit două funcții: transportul unor medicamente și recoltarea unor eșantioane de țesut pentru a fi supuse unei analize detaliate. Deplasarea este controlată din exterior. Când ajunge în zona de destinație este comandată eliberarea unui anumit medicament (pot fi mai multe containere care conțin câte un medicament diferit sau doze din același medicament). Eliberarea medicamentului se obține prin deschiderea microvalvelor. De asemenea, din zona prestabilită se poate extrage o mostră de țesut cu ajutorul dispozitivului dispus în partea frontală a microsistemului. Semnalele de comandă de la unitatea centrală exterioară, ca și informațiile privind situația locală, sunt receptate și transmise mai departe de unitatea senzorială.
Variante ale unor astfel de roboți pot fi folosite chiar pentru operații microchirurgicale. Ajungerea la organele bolnave se va face prin utilizarea vaselor de sânge (arterelor și venelor) pentru deplasare, tehnică denumită engioplastie (Fig. 1.8).
6.2. Microroboți medicali intraoculari
Microroboții intraoculari sunt de o factură specială și cumva multifuncționali și, de aceea, sunt prezentați separat. Ei sunt chiar un nou instrument wireless pentru viitoarele operații oculare și câștigă rapid interes ca dispozitive de diagnostic, terapeutice în vivo. Pentru a utiliza acești microroboți în aplicații viitoare în oftalmologie, cum ar fi ERM, administrarea localizată de medicamente sau perforarea venelor retiniene, aceștia trebuie să prezinte biocompatibilitate, stabilitate mecanică, proprietăți hipoalergenice, noncarcinogene și chimic inerte. Mai mult, tehnologia trebuie să permită chirurgului să controleze cu precizie rotația și translația microrobotului în interiorul vitrei. În acest sens, se investighează mobilitatea microroboților intraoculari ca instrumente potențiale pentru microchirurgie. Scopul este de a înțelege mobilitatea robotului în segmentul ochiului posterior cu umor vitros, precum și după înlocuirea vitrei cu diferite medii.
Fig. 1.9 a prezintă un microrobot, care este injectat în secțiunea posterioară a ochiului prin regiunea pars plană a sclerei. Microrobotul este controlat fără fir și poate fi îndepărtat cu un instrument magnetic. Microrobotul moale, magnetic are forma unui cilindru gol cu diametrul exterior de 285 μm și diametrul interior de 125 μm; lungimea lui este de 1800 μm. Diametrul exterior este ales astfel încât microrobotul să se potrivească cu un ac de 23 G, așa cum se arată în Fig. 1.10 b. Microrobotul este netoxic folosind polipirol sau acoperiri metalice inerte, care au fost testate pentru viabilitatea celulelor de către Sivaraman și colab., iar metodele de fabricație personalizate permit o flexibilitate ridicată în diametru, lungime și spectru magnetic.
În loc de încheiere
Aspectele prezentate în legătură cu microrobotica și nanorobotica dau prilejul la câteva considerații privind tendința de miniaturizare a structurilor atât naturală, cât și artificială, ca și privind tendințele de dezvoltare și multiplicare ale interfețelor între diferite sisteme interdependente din spațiul înconjurător.
O analiză succintă a evoluției structurilor biologice ne arată că din cele două direcții posibile (gigantism și miniaturism), după o scurtă experimentare a celei dintâi, culminând cu structurile biologice uriașe de tipul dinozaurilor, pe uscat aceasta a fost abandonată, iar în mediul marin a rămas periferică. Parcurgerea celei de a doua direcții a permis apariția materiei superior organizate a creierului și echiparea sa cu subsistemele necesare unei activități complexe de supraviețuire și lucrative în mediul natural. Este rezonabil să se estimeze că această situație se va menține, pe baza presupunerii că s-a ajuns la un echilibru între caracteristicile structurii umane (antropometrie, capacități de deplasare, capacități de procesare a substanțelor și informației, posibilități de intervenție asupra elementelor înconjurătoare, inclusiv crearea de structuri artificiale complexe etc.) și caracteristicile naturale (accelerație gravitațională, alternanța zi-noapte, caracteristicile câmpului magnetic terestru, clima și factorii climatici, procesele naturale de generare și procesare a substanțelor, echilibrul general între substanțele gazoase, lichide și solide). La acestea se adaugă spațiul limitat al planetei pe măsura creșterii naturale a numărului de indivizi ai diferitelor populații (vezi tehnica bonsai). O atestă numărul indivizilor umani, care a depășit de curând 8 miliarde, pe când numărul indivizilor din celelalte specii de viețuitoare a rămas relativ constant, cu ușoare scăderi la unele specii (cele care au dispărut în timp au fost înlocuite, cel puțin partial, de altele noi sau prin creșteri ale unora deja existente). Totodată, se cer luați în considerare factorii interplanetari și cei derivați din particularitățile poziției și mișcării planetei în relație cu Soarele. Dacă tendința de miniaturizare se va menține, nu este lipsită de interes estimarea limitelor acesteia. Miniaturizarea naturală probabil va continua prin evoluția speciilor în acest sens, paralel cu dezvoltarea materiei cerebrale sub aspectul măririi, dar și prin creșterea complexității proceselor posibile. Dacă aglomerarea materiei cerebrale se poate presupune că va fi lentă, posibilitatea creșterii complexității proceselor cerebrale poate fi accelerată sau stimulată. Aceasta se poate face prin extinderea capacităților senzoriale prin soluții artificiale și prin utilizarea rezervelor latente (în așteptare) ale creierului, prin tehnici de accesare și punere în valoare de tipul realității virtuale. Pentru ambele direcții, cercetările de anatomie, fiziologie, psihologie etc., pe de-o parte, ca și cele de mecatronică, electronică, robotică, microrobotică și nanorobotică etc., pe de altă parte, sunt esențiale. Se ajunge, astfel, la întrebarea dacă nu este posibil ca specia umană să se continue cu specia roboților umanoizi artificiali.
În concluzie, miniaturizarea naturală este aproape stabilizată și pe punctul de a face joncțiune cu miniaturizarea artificială, prin tehnicile de manipulare și sinteză a structurilor celulare și de la acestea a celor multicelulare similare cu cele naturale. Relativ la a doua tendință majoră, se constată creșterea distanței între sistemele interdependente, în principal prin crearea și dezvoltarea unor interfețe artificiale, din ce în ce mai complexe. Dintre sisteme, cele mai importante sunt cel social și cel natural, care formează tandemul societate-natură, între care interferențele concomitent se multiplică și cresc în complexitate. Evident că realizarea și optimizarea acestor interfețe va solicita tot mai mult capacitățile creierului de procesare a informațiilor. În această situație, interfața preferată ar putea fi, pe de-o parte, extinderea capacităților senzoriale umane pe cale artificială, iar, pe de altă parte, crearea unei structuri artificiale care să constituie o prelungire a ființei umane, cum pot fi roboții de serviciu antropomorfi și, ulterior, roboții umanoizi artificiali.
Se constată că cele două tendințe considerate majore converg spre o soluție comună: robotul artificial umanoid. Constatarea nu poate decât să susțină toate demersurile în această direcție, pentru asigurarea unei perspective evoluției și continuității civilizației.
Notă: Informațiile din acest editorial au plecat de la textul cuprins în cartea Elemente de robotică medicală și protezare, publicată de autor în 2004, în premieră națională și, dintr-o anumită perspectivă, chiar europeană, informații care au fost într-o oarecare măsură actualizate cu date de pe Internet.
Prof. univ. dr. ing. Eur Ing Ionel Starețu,
Membru corespondent al ASTR,
Președintele Sucursalei AGIR Brașov,
Președintele Filialei SRR Brașov