Робототехника в медицине (стр. 3 из 4)
Именно поэтомубиотехнологииз корейского Национального университета Чуннам попробовали совместить в своей работе два противоположных подхода. Созданный имипрототипмедицинскогоМИКРОРОБОТАпостроен из синтетического полимера и клеток сердечной мышцы человека - кардиомиоцитов. Клетки натянуты на гибкий пластиковый каркас на специальных ножках. Сокращаясь, клетки приводят в движение всю конструкцию, и устройство начинает перебирать ногами. Разработчики предполагают, что в будущем подобныероботысмогут путешествовать по кровеносным сосудам человека, цепляясь за стенки. Функционировать такие изделия смогут очень долго - «клеточный двигатель» использует в качестве топлива растворенную в крови глюкозу.
«Всего несколько лет назад разговоры ороботах, доставляющих лекарства в определенные точки организма, казались фантазиями, - говорит Алексей Снежко, физик из Аргоннской национальной лаборатории (США). - Теперь понятно, что в самое ближайшее время их начнут испытывать на людях».
Как это будет выглядеть, понятно уже сейчас. В одном из последних опытов Сильван Мартель и его коллеги ввелибактериив организм больной раком крысы. А затем поместили ее в медицинский томограф. Эти приборы используют сильные магнитные поля для построения трехмерных карт организма пациента. После небольшой переделки установка превратилась в командный пункт для микробов. С ее помощью ученые провелибактериипо кровеносной системе грызуна прямо в район опухоли. Микроорганизмы доставили к пораженной области учебный груз - флуоресцирующее вещество. Вскоре Мартель планирует повторить эксперимент. На этот раз бактерии будут нести противоопухолевый препарат.
Так же нанотехнологи продемонстрировали довольно впечатляющие образцы электронной кожи. Электронная кожа впервые ощутила прикосновения бабочки
Решётка из тончайших полупроводниковых нитей, совмещённая с электродами и меняющей в ответна давление проводимость резиной типа PSR (вверху) превращена калифорнийскимиумельцами в "лоскут кожи" (внизу)(иллюстрации Kuniharu Takei et al./Nature Materials).
На этом рисунке кожи робота каждый чёрный квадратик соответствует одному "пикселю", элементарной точке, отвечающей за осязание (иллюстрация Ali Javey and Kuniharu Takei, UC Berkeley).Чувствительность кожи авторы рекламируют красочной фантазией: робот с такимманипулятором смог бы запросто обращаться с куриным яйцом, не уронив его и не раздавив (иллюстрация Ali Javey, Kuniharu Takei/UC Berkeley).
Ещё одна иллюстрация чувствительности стэнфордского сенсора: он регистрирует прикосновения перуанской бабочкиChorinea faunus(фото L.A. Cicero/Stanford University).
Уже немало копий сломано вокруг проблемы создания робототехнического аналога самого крупного органа человека. Главный вопрос – как воспроизвести невероятную чувствительность кожного покрова, который может ощутить дуновение ветерка от пролетевшего насекомого? Недавно две исследовательские группы из Калифорнии одновременно объявили о своих впечатляющих ответах.
Первая команда, из Калифорнийского университета в Беркли, выбрала в качестве ключевого элемента для своей искусственной кожи нанопроводки. Как сообщают учёные впресс-релизе, они вырастили крошечные германиевые и кремниевые нити на специальном барабане, а затем прокатили этим валиком по подложке – клейкойполиимиднойплёнке.
В итоге учёные получили эластичный материал, в структуру которого были включены нанопроводки, играющие роль транзисторов.
Поверх них исследователи нанесли изолирующий слой с периодическим рисунком из тонких отверстий, а ещё выше – чувствительную к прикосновению резину (PSR).Между резиной и нанопроводками при помощи фотолитографии навели проводящие мостики (для этого и понадобились отверстия в слое изолятора) и, наконец, сдобрили бутерброд тонкой алюминиевой плёнкой – финальным электродом. (Подробности авторы системы представили встатьев Nature Materials).Такой эластичный набор способен определять и точно локализовать участки, к которым прикладывается давление.Имя эта кожа получила банальное и предсказуемое — e-skin. Новая технология позволяет использовать в качестве подложки множество материалов, от пластика до резины, а также включать в её состав молекулы различных веществ, например, антибиотиков (что может оказаться весьма важным).На опытном куске e-skin размером 7 х 7 сантиметров уместилась матрица 19 х 18 пикселей. В каждом из которых содержались сотни наноштырей. Такая система оказалась способна регистрировать давление от 0 до 15 килопаскалей.Примерно такие уровни нагрузки испытывает человеческая кожа при печатании на клавиатуре или удерживании на весу небольшого объекта.
Али Джавей (Ali Javey), глава проекта e-skin в Беркли(фото UC Berkeley)
Учёные указывают на вполне определённое преимущество своей разработки перед аналогами. Большинство проектов такого рода полагается на гибкие органические материалы, которым для работы требуется высокое напряжение.
Синтетическая кожа из Беркли — первая, изготовленная на основе монокристаллических неорганических полупроводников. Она функционирует при напряжении всего в 5 вольт. Но что ещё интереснее — опыт показал, что e-skin выдерживает до 2000 изгибаний с радиусом 2,5 миллиметра без потери чувствительности.
В качестве очевидной области применения в будущем такой кожи можно предположить чувствительные манипуляторы,способные оперироватьхрупкими предметами.
Сверхаккуратную кибернетическую руку можно дополнительно оснастить датчиками тепла, радиоактивности, химических веществ, покрыть тонким слоем лекарств и использовать на "пальцах" роботов-хирургов или спасателей.
В последнем случае (при работе роботов с людьми) очень важным с точки зрения безопасности окажется тот факт, что электронная кожа из Беркли, как и человеческая, ощущает прикосновение почти мгновенно (в течение миллисекунд). В теории она может полностью покрывать манипулятор робота или даже всю машину.
Вверху: профессор Чжэнань Бао (Zhenan Bao) – лидер стэнфордского проекта.Внизу: такая простая полимерная плёнка с алюминиевыми проводниками послужила отправной точкой в построении новой кожи(фото L.A. Cicero/Stanford University, Stefan C. B. Mannsfeld et al./Nature Materials).
Вторая разработка, родом из Стэнфордского университета, использует другой подход. Как сообщают учёные впресс-релизе, они поместили между двумя электродами слой высокоэластичной формованной резины.
Такая плёнка накапливает электрические заряды подобно конденсатору. Давление сжимает резину – а это, в свою очередь, изменяет число электрических зарядов, которые способен хранить сандвич, что и определяет электроника благодаря набору электродов.
Описанный процесс позволяет обнаружить легчайшее прикосновение, что учёные доказали на опыте. Они использовали в качестве "тестера" мух.В ходе эксперимента квадратная матрица со стороной в семь сантиметров и в миллиметр толщиной чувствовала посадку насекомых, весящих всего 20 миллиграммов, и реагировала на их касания с высокой скоростью.
Под микроскопом матрица похожа на поле, усеянное остроконечными пирамидками. В таком материале пирамидок этих может быть от сотен тысяч до 25 миллионов на квадратный сантиметр, в зависимости от требуемого пространственного разрешения.
Такой приём (вместо применения сплошного слоя резины) был необходим, поскольку монолитный материал, как выяснилось, терял свои свойства при сдавливании – точность регистрации зарядов падала. А свободное пространство вокруг микроскопических пирамид позволяет им легко деформироваться и восстанавливать исходную форму после снятия нагрузки.
Гибкость и прочность стэнфордской электронной кожи оказались очень высоки. Её нельзя растягивать, но вполне можно сгибать, обернув ею, например, руку робота.
Авторы электронной кожи из Стэнфорда, чьястатьятакже вышла в Nature Materials, отмечают, что достоинства их технологии — дешевизна и широкий диапазон давлений, который способен измерять подобный бутерброд.
А потому в качестве сфер приложения своей разработки учёные видят опять же хирургических роботов. Но не только. Искусственная кожа могла бы стать основой электронных бинтов, — рассуждают американские исследователи, — способных подавать сигнал при слишком слабом или опасно сильном затягивании. А ещё подобные сенсоры могли бы точно фиксировать степень сжатия руками рулевого колеса, вовремя предупреждая водителя, что он засыпает.
Обе команды утверждают, что ещё продолжат развивать данное направление экспериментов. Так что роботы будущего, по всей видимости, всё же получат кожу, приближённую по возможностям к человеческой. И пусть внешне она будет заметно отличаться от нашей – её чувствительность придаст новый смысл понятию робот-андроид.
Сенсационное заявление дала компания по производству видеокарт для компьютеров. Не успели написать о первой хирургической операции, проведенной исключительно «руками» роботов, как NVIDIA приготовила другую «бомбу» из мира медицины. На калифорнийской конференции GTC 2010 производитель графических чипов озвучил весьма смелую идею – проводить операцию на сердце… без остановки сердца и вскрытия грудной клетки!
Робот-хирург будет производить операцию с помощью манипуляторов, подведенных к сердцу через небольшие отверстия в груди пациента. Технология визуализации «на лету» оцифровывает бьющееся сердце, демонстрируя хирургу трехмерную модель, по которой он может ориентироваться точно так же, как если бы смотрел на сердце через вскрытую грудную клетку.Основная сложность заключается в том, что сердце совершает большое количество движений за короткое время – но, по словам разработчиков, мощности современных вычислительных систем на базе графических процессоров NVIDIA хватит, чтобы визуализировать орган, синхронизируя движения инструментов робота с биением сердца. За счет этого создается эффект неподвижности – хирургу без разницы, «стоит» сердце или работает, ведь манипуляторы робота совершают аналогичные движения, компенсируя биение!