Neue Roboter für die Medizin

Eine neue Klasse von Robotern wird die Technologie in den Bereichen Medizin und Umwelt schon bald erweitern. Dabei handelt sich um sogenannte Aquabots: Sehr weiche Roboter, die überwiegend aus Flüssigkeiten bestehen. Diese Neuheit unter den Robotersystemen wurde von Forschern der Universität Hongkong (HKU) und des Lawrence Berkeley National Laboratory in einer in ACS Nano veröffentlichten Arbeit vorgestellt.

Das Besondere: Die wässrigen Roboter werden aus Elastomeren hergestellt und sind daher leicht zu biegen. Dank eines Zweiphasensystemes lässt sich die Struktur der Roboter daher so umbauen, dass sie von der nanoskopischen bis zur mikroskopischen Skala reicht. Um Objekte zu halten und zu transportieren, passen die Roboter ihre Form individuell an die Umgebung an. Darüber hinaus können sie aufgrund ihrer Eigenschaften für die gezielte Photokatalyse (katalysatorbeschleunigte Photoreaktion) sowie die Abgabe und Freisetzung in engen oder verwinkelten Umgebungen eingesetzt werden.

„Wir beschäftigen uns mit der Erschließung von Grenzflächenwerkstoffen und adaptiven Materialanordnungen auf der Grundlage der Öl-Wasser- und Wasser-Wasser-Schnittstellen. Hierfür verwenden wir Nanopartikel und Polyelektrolyte. Unsere Idee war es, flüssige Materialien zu strukturieren, deren Erscheinungsbild durch äußere Kräfte beeinflusst wird. Ziel war es, beliebige Formen zu erzeugen oder die Strukturen mithilfe von 3D-Druck durch Flüssigkeiten räumlich neu anzuordnen“, erklärten Ho Cheung (Anderson) Shum, Thomas P. Russell und Shipei Zhu auf der Website TechXplore.

Zu den möglichen Anwendungen für die Aquabots zählen die Forscher die medizinische Mikromanipulation, die gezielte Abgabe von elektrischen Ladungen, das Tissue Engineering und die Biomimetik.

Eine weitere Klasse von Robotern im Submillimeterbereich wurde von Wissenschaftlern der Northwestern University vorgestellt. Diese krabbenförmigen Miniroboter können beispielsweise heikle Operationen wie das Nähen oder Reinigen von Arterien übernehmen. Zudem sollen sie beim Aufspüren von Krebstumoren eingesetzt werden. Den Forschern zufolge ergeben sich aus den begrenzten Strukturen und Materialien, die für solche Roboter verwendet werden können, operative und leistungsbezogene Herausforderungen, die sie zu überwinden versuchen. Darüber hinaus haben die Wissenschaftler eine Version entwickelt, die Würmern, Grillen oder Käfern ähnelt.

Forscher der Stanford University haben in einem Artikel in der Zeitschrift Nature Communications einen Amphibienroboter vorgestellt, der von der Falttechnik Origami inspiriert ist. Nach Ansicht seiner Schöpfer hat dieser millimetergroße Roboter mit magnetischem Antrieb ein enormes Potenzial für biomedizinische Anwendungen. Er verfügt über multimodale Fortbewegungsmöglichkeiten, um beispielsweise flüssige Medikamente durch den menschlichen Organismus zu leiten oder mithilfe von Minikameras und Pinzetten bei Endoskopie- und Biopsieuntersuchungen zu helfen.

Laut Angabe der Wissenschaftler verwenden bisherige Roboter in Origami-Form separate geometrische Komponenten für die Fortbewegung und die Ausführung ihrer Funktionen – was ihre Komplexität deutlich erhöht. Außerdem sind die kleinen Maschinen bisher nicht in der Lage, sich gleichermaßen auf harten und wässrigen Oberflächen zu bewegen, wie sie in biomedizinischen Umgebungen vorkommen. Die kürzlich vorgestellte Neuheit versucht, diese Probleme zu überwinden.

Eine Branche mit enormen Wachstumschancen

Für sprechende Roboter, die in medizinischen Anwendungen eingesetzt werden, gibt es laut verschiedenen Untersuchungen bereits ein großes Potenzial auf dem Markt. Statistiken zeigen, dass dieser Sektor im Jahr 2021 auf 10,88 Milliarden US-Dollar geschätzt wurde und bis 2030 einen Wert von 44,45 Milliarden US-Dollar erreichen dürfte – mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 17,1 %.

Nanoroboter werden mit dem technologischen Fortschritt zunehmend realisierbar und haben die Nachfrage nach minimalinvasiven, robotergestützten medizinischen Verfahren angekurbelt – denn diese Technologien sollen eine schnellere und weniger schmerzhafte Genesung gewährleisten. Darüber hinaus treibt die wachsende Zahl älterer Menschen und chronischer Krankheiten wie Krebs, Diabetes und Arthritis das Wachstum des Marktes für medizinische Robotik weiter voran.

Neben minimalinvasiven chirurgischen Eingriffen umfasst der Markt für Medizinrobotik auch andere Produkte und Dienstleistungen wie Logistik- und Abfertigungssysteme, Rehabilitation, Assistenz, Diagnose und Bildgebung sowie Telemedizin und vieles mehr. Rehabilitationsroboter können zum Beispiel mithilfe einer künstlichen Intelligenz programmiert werden, um beispielsweise Schlaganfallopfer bei der Genesung zu unterstützen. Des Weiteren können Assistenzroboter mit einem einfühlsameren Auftreten bei der Pflege älterer oder behinderter Menschen helfen. Im Abfertigungsbereich können die intelligenten Maschinen außerdem Routineaufgaben übernehmen, die für den Menschen immer noch mit Risiken verbunden sind – z. B. die Sterilisierung von Instrumenten oder die Lieferung von medizinischem Material in eventuell kontaminierte Bereiche.

Sogar im Weltraum gibt es Potenzial

Miniaturisierte chirurgische Roboter werden auch bald ihren Weg in den Weltraum finden: Die NASA plant, ihren MIRA (Miniaturized In Vivo Robotic Assistant) bis 2024 auf die Internationale Raumstation (ISS) zu bringen. Der 0,91 Kilogramm schwere Roboter wird dabei seine Fähigkeiten im Weltraum unter Beweis stellen. Dabei soll er in einem mikrowellengroßen Raum Tätigkeiten simulieren, wie sie bei Operationen durchgeführt werden – etwa das Schneiden von Gewebe. Das Ziel: Der Miniroboter soll in Zukunft in den besonders engen Umgebungen auf Weltraummission eingesetzt werden.

„Die MIRA-Plattform soll der robotergestützten Chirurgie-Ausrüstung die Leistung eines Großrechners in miniaturisierter Form verleihen. Dadurch wäre das Equipment in jedem Operationssaal der Welt zugänglich. Die Zusammenarbeit mit der NASA an Bord der Raumstation wird zeigen, wie diese Technologie die Chirurgie auch an den entferntesten Orten bereitstellen kann“, sagte John Murphy, CEO von Virtual Incision, der für die Entwicklung der Lösung verantwortlich ist.

Bereits in den vergangenen Jahren haben verschiedene von der NASA entwickelte oder angewandte Technologien in unserem Alltag Einzug gehalten. Am bekanntesten ist wohl das viskoelastische Kissen – aber auch andere Technologien wie Präzisions-GPS, digitale Bildsensoren, Lebensmittelverpackungen, Wasseraufbereiter und sogar unsichtbare Zahnersatzteile sind aus unserem Leben kaum mehr wegzudenken.