Technik trifft Biologie: Formwandelnder Mini-Roboter setzt Meilenstein in der Medizintechnik

A new medical robot, inspired by pangolins

Juli 04, 2023

Heilkraft in Bewegung: Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts in Stuttgart entwickelten einen bahnbrechenden Mini-Roboter mit einer einzigartigen flexiblen Struktur für medizinische Anwendungen. Magnetisch gesteuert, diente der Körper eines Schuppentiers (Pangolin) als Inspiration, einem in Asien und Afrika heimischen Säugetier mit blättrigem Körper.

Die Forscher nahmen sich die Fähigkeit des Pangolins zum Vorbild, sich blitzschnell zu einer Kugel zusammenzurollen. Sie entwarfen einen Mini-Roboter aus starr-metallischen und weichen Elementen, der sich – ähnlich wie das Tier – anpassen kann, um sich zu bewegen. Dies könnte beispielsweise dazu beitragen, gezielt Medikamente oder andere Substanzen freizusetzen und Blutungen zu reduzieren. Darüber hinaus kann der Roboter bei Bedarf auch Wärme abgeben.

In einer im Juni 2023 im Fachjournal Nature Communications veröffentlichten Forschungsarbeit stellten die Autoren der Studie das Design des Mini-Roboters vor. Er ist nicht länger als zwei Zentimeter und besteht aus zwei Schichten: Die weiche Lage setzt sich aus einem mit kleinen magnetischen Partikeln bestückten Polymer zusammen – die starre Schicht aus überlappend angeordneten Metallelementen. Damit ist der Roboter weich und flexibel genug, um am menschlichen Körper zum Einsatz zu kommen.

Setzt man ihn niederfrequenten Magnetfeldern aus, rollt sich der Roboter zusammen und bewegt sich geschickt hin und her, ähnlich wie ein kleines Tier. Seine Metallelemente sind dabei schuppenartig angeordnet. Das stellt sicher, dass kein Schaden am umliegenden Gewebe entsteht – eine wesentliche Eigenschaft für medizinische Anwendungen. Die Kombination aus Flexibilität und Schonung des Gewebes ermöglicht es dem Roboter, sich zusammenzurollen und Medikamentenpartikel zu transportieren. Doch das ist noch nicht alles: Setzt man dem künstlichen Schuppentier hochfrequenten Magnetfeldern aus, läuft er heiß und erreicht Temperaturen von über 70°C. Diese Hitze können Mediziner dann gezielt zur Behandlung von Thrombosen, dem Stoppen von Blutungen oder dem Entfernen von Tumorgewebe einsetzen.

Laut Experten sind sogenannte ungebundene Roboter, die sich frei bewegen können und dabei aus harten Materialien wie Metall bestehen, eine Rarität. Besonders dann, wenn sie zusätzlich in der Lage sind, Wärme abzugeben. Das macht den schuppenbewehrten Mini-Roboter zu einer vielversprechenden Innovation in der modernen Medizin. Im untenstehenden Video zeigen die Forscher, wie sie den Roboter flexibel durch tierisches Gewebe und künstliche Organe steuern können.

Röntgenblick auf die medizinische Robotik

Das Unternehmen GlobalData ist spezialisiert auf Innovationen im Bereich der 3D-Bioprinting-Robotik. Laut einem kürzlich veröffentlichten Bericht, sind in den letzten drei Jahren unglaubliche 450.000 Patente im Medizingerätesektor beantragt und genehmigt worden. Das Besondere: Die 3D-Bioprinting-Roboter sind in der Lage, aus einfachen Zellen Organe und biomedizinische Materialien zu erzeugen.

Die Robotik-Innovationen durchlaufen zunächst unterschiedliche Entwicklungsphasen – von der ersten Idee bis hin zur Marktreife. GlobalData hat in diesem Zusammenhang eine aufschlussreiche Grafik veröffentlicht, die die verschiedenen Robotertechnologien entsprechend ihrer Evolutionsstufe einordnet.

Zudem prognostiziert GlobalData ein durchgehendes Wachstum in allen Segmenten über das nächste Jahrzehnt hinweg. Der Treiber? Der wachsende Bedarf an umfangreichen medizinischen Verfahren. Gesundheitsorganisationen rüsten auf und investieren massiv in Roboter, um nicht nur Personalengpässen entgegenzuwirken, sondern auch den Pflegestandard zu erhöhen. Denn die neuen Roboter-Modelle sollen noch mehr Behandlungsmöglichkeiten eröffnen. Ein Beispiel: Mikroroboter, die sich gezielt gegen schwer zu behandelnde Krankheiten einsetzen lassen.

S-Kurve für Robotik-Innovationen in der Medizingeräteindustrie. Quelle: Global Data Patents

Wie GlobalData berichtet, ist die Zahl der im medizinischen Bereich erteilten Patente für Robotertechnologien von 469 im Jahr 2016 auf beeindruckende 638 im Jahr 2022 angestiegen. Die Erfolgsgeschichte setzt sich auch 2023 fort: Allein im Mai ist ein Zuwachs von 55 % gegenüber April zu verzeichnen. Das Feld führt hier Intuitive Surgical an. Die US-amerikanische Firma gilt als Pionier in der Entwicklung von robotergestützten Assistenten für minimalinvasive chirurgische Eingriffe.  Nordamerika ist aktuell führend in Forschung und Entwicklung: GlobalData weist darauf hin, dass vier der fünf Top-Unternehmen, die Robotik-Patente halten, in den USA ansässig sind. Die einzige Ausnahme ist das britische Unternehmen CMR Surgical.

Die aufstrebende Bedeutung der medizinischen Robotik untermauert ein weiterer Report von Expert Market Research. Dem Bericht zufolge lag der globale Marktwert für medizinische Roboter im Jahr 2021 bereits bei 10,5 Milliarden US-Dollar. Die Prognosen sind nicht weniger beeindruckend: Zwischen 2023 und 2028 erwarten die Experten ein jährliches Wachstum von 22,5 %. Bis zum Ende dieses Zeitraums könnte der Markt dann auf bis zu unglaubliche 36,6 Milliarden US-Dollar anwachsen – und das Segment der chirurgischen Roboter wird dabei den Löwenanteil dieses Marktes ausmachen.

Doch was treibt diesen bemerkenswerten Boom an? Die Gründe sind vielfältig. Die steigende Nachfrage nach minimalinvasiven Operationen, eine alternde Bevölkerung sowie eine zunehmende Akzeptanz von Robotersystemen im Gesundheitswesen sind dabei nur einige der Faktoren. Laut der Studie gibt es zudem weitere vielversprechende medizinische Innovationen wie Rehabilitationsroboter, nicht-invasive Radiochirurgie und eine zunehmende Automatisierung in Krankenhäusern und Apotheken.