اسپری مغناطیسی جدیدی که اشیاء را برای کاربردهای زیست پزشکی به میلی رباتها تبدیل می­کند

تاریخ: 18 نوامبر 2020

یک تیم تحقیقاتی به رهبری دکتر شن یاجینگ [1]، دانشیار دانشکده مهندسی زیست پزشکی[2] دانشگاه سیتی[3] هنگ کنگ با همکاری موسسه تکنولوژی پیشرفته شنزن[4] و آکادمی چینی علوم[5] روشی آسان برای ساختن میلی رباتها ایجاد کردند. یافته­ های تحقیقاتی آنها در مقاله­ ای در مجله علوم رباتیک[6]با عنوان “اسپری مغناطیسی چسبنده، اشیاء بی جان را برای کاربرهای زیست پزشکی به میلی ربات تبدیل می­کند.” منتشر شده است.

تبدیل اشیا به هزار ربات با “پوشش مغناطیسی”

دانشمندان میلی ربات یا رباتهایی در مقیاس حشرات ساخته­اند که می­تواند در محیط­های مختلف برای کاربردهای شناسایی و زیست پزشکی به کار روند.

تیم تحقیقاتی دکتر شن با راهکار ساده­ای دست به ساخت میلی رباتها کردند. در این روش اشیاء توسط اسپری مغناطیسی چسب مانند ترکیبی پوشانده می­شوند که به آن اسپری-ام[7] می­گویند. دکتر شن در این مورد توضیح داد: “ما با پوشش مغناطیسی به هر شیئی آن را تبدیل به ربات کرده و حرکت آن را کنترل می­کنیم. اسپری-ام ساخته شده توسط ما، می­تواند به هر شیئی چسبیده و وقتی شیئ در میدان مغناطیسی قرار می­گیرد را وادار به فعالیت می­کند.”

اسپری-ام از الکل پلی وینیل (PVA)، گلوتن و ذرات آهن تشکیل شده است. ام اسپری می­تواند بلافاصله به سطوح سخت و نرم یک بعدی، دو بعدی یا حتی سه بعدی بچسبد. یک لایه با ضخامت 0.1 تا 0.25 میلیمتری بر روی سطوح تشکیل می­دهد که به اندازه کافی نازک هست که اندازه، شکل و ساختار اصلی شیئ حفظ شود.

بعد از اینکه شیئ با اسپری-ام پوشانده شد، در یک یا چندین جهت مغناطیسی، مغناطیسی شده تا بتوان حرکت آن را توسط میدان مغناطیسی کنترل کرد. سپس شیئ را گرما داده تا پوشش مغناطیسی سفت و محکم شود.

در این روش، زمانی که شیئ در معرض میدان مغناطیسی قرار بگیرد، تبدیل به میلی رباتی شده است که می­تواند به شکل­های مختلف مثل خزیدن، چرخیدن، راه رفتن و غلتیدن برروی سطوح مختلفی از شیشه، پوست، چوب گرفته تا شن حرکت کند. تیم تحقیقاتی با استفاده از این ویژگی نخ کتان (یک بعدی) را به ربات خزنده نرم، اریگامی (سطح صاف دو بعدی) را به ربات چند پا، فیلم پلی دی متیل سیل اکسان (سطح دو بعدی نرم انحنادار) را به ربات راه رونده و لوله پلاستیکی (شیئ گرد سه بعدی) را به ربات غلت زننده تبدیل کردند.

برنامه ریزی مجدد بر اساس تقاضا برای تغییر حالت حرکت

آن چه این روش را ویژه می­سازد این است که تیم تحقیقاتی توانستند حالت حرکت میلی رباتها را بر اساس تقاضا مجددا برنامه ریزی کنند.

دکتر یانگ زیانگ، اولین نویسنده همکار این مقاله توضیح داد که معمولا، ساختار اولیه ربات و همچنین تنوع حرکتی آن به محض ساخته شدن ثابت می­شود. البته با مرطوب کردن پوشش محکم شده­ای که با اسپری-ام به شیئ داده شده است و سپس قرار دادن آن در معرض میدان مغناطیسی قوی، تنظیم و توزیع جهت ذرات مغناطیسی می­تواند تغییر یابد.

آزمایشان نشان داده ست که حالت حرکتی یک میلی ربات می ­تواند بین حالت­های مختلف عوض شود. مثلا حالت حرکت از مدل کرم ابریشم سه بعدی سریع در یک محیط جادار به یک حرکت متمرکز آرامتر دو بعدی برای حرمت در یک شکال باریک عوض می­شود.

قابلیت راهبری و خاصیت تجزیه پذیری

از این ویژگی قابلیت برنامه ریزی مجدد نوع حرکت، برای هدایت میلی ربات به سمت هدف مورد نظر می­ توان استفاده کرد. برای بررسی پتانسیل این اختراع در کاربردهای پزشکی، تیم تحقیقاتی آزمایش­هایی را با یک سوند انجام داده است، که برای قرار دادن در بدن برای درمان بیماری یا انجام اقدامات جراحی استفاده می شود. آنها نشان دادند که سوندی که توسط اسپری-ام پوشانده شده است، می تواند چرخش های تیز یا صاف را انجام دهد. و تأثیر جریان خون/ مایع بر توانایی حرکت و پایداری در سوند پوشش داده شده با اسپری محدود بود.

همچنین آنها از قابلیت با برنامه ریزی مجدد پوشش اسپری-ام، یک نخ پنبه ای را بر اساس وظیفه و محیط تحویل قادر ساختند تا از یک ساختار باریک و نامنظم عبور کند. دکتر شن خاطرنشان کرد که از نظر کاربرد بالینی، این اختراع می تواند از فرو رفتن غیر منتظره سوزن در دیواره­ها شود. وی گفت: “برنامه ریزی مجدد مبتنی بر وظیفه، نویدبخش روشی برای حرکت سوند در مری، عروق و مجرای ادرار پیچیده است که در آن همیشه ناوبری مورد نیاز است.”

ویژگی مهم دیگر این فناوری این است که می توان با دستکاری یک میدان مغناطیسی، پوشش اسپری-ام را در صورت نیاز به پودر تبدیل کرد.  دکتر شن با تأکید بر عوارض تجزیه اسپری-ام گفت: “تمام مواد اولیه اسپری-ام، یعنی PVA، گلوتن و ذرات آهن، سازگار با محیط زیست هستند. پوشش از هم پاشیده شده می تواند توسط بدن انسان جذب یا دفع شود و در نتیجه ” قابل چشمپوشی است.

تحویل موفقیت آمیز دارو در معده خرگوش

برای بررسی امکان سنجی و اثربخشی میلی ربات فعال اسپری-ام برای تحویل دارو، این تیم آزمایش vivo را با خرگوش و کپسول پوشش داده شده با اسپری-ام انجام داد. در طی فرآیند زایمان، خرگوش ها بیهوش شدند و موقعیت کپسول در معده با تصویربرداری رادیولوژی پیگیری شد. هنگامی که کپسول به منطقه مورد نظر رسید، محققان با استفاده از یک میدان مغناطیسی نوسانی، پوشش را از هم پاشیدند. دکتر شن افزود: “خاصیت تجزیه پذیری اسپری-ام باعث می شود که دارو به جای پخش شدن در اندام، در مکان هدف ترشح شود.”

اگرچه پوشش اسپری-ام در حدود هشت دقیقه در محیط کاملاً اسیدی از بین می رود (سطح pH 1)، این تیم نشان داد که یک لایه PVA اضافی روی سطح پوشش اسپری-ام می تواند آن را به حدود 15 دقیقه طولانی کند. و در صورت جایگزینی ذرات آهن با ذرات نیکل، پوشش می تواند در یک محیط کاملاً اسیدی حتی بعد از 30 دقیقه هم پایدار بماند.

دکتر شن افزود: “نتایج آزمایش ما نشان داد که می توان با استفاده از اسپری-ام متناسب با محیط، شرایط سطحی و موانع، میلی ربات­های مختلفی را ساخت. امیدواریم که این استراتژی ساخت و ساز بتواند به توسعه و استفاده از میلی ربات­ها در زمینه­ های مختلف، مانند حمل و نقل فعال، سنسورها و دستگاه های متحرک، به ویژه برای کار در فضای محدود کمک کند ”

این تحقیق به پشتیبانی بنیاد ملی علوم چین و شورای کمک هزینه­های تحقیقاتی هنگ کنگ انجام شده است.

[1] Dr. Shen Yajing

[2] Department of Biomedical Engineering (BME)

[3] City University (CityU)

[4] Shenzhen Institutes of Advanced Technology (SIAT)

[5] Chinese Academy of Sciences (CAS)

[6] Xiong Yang, Wanfeng Shang, Haojian Lu, Yanting Liu, Liu Yang, Rong Tan, Xinyu Wu, Yajing Shen. An agglutinate magnetic spray transforms inanimate objects into millirobots for biomedical applications. Science Robotics, 2020; 5 (48): eabc8191 DOI: 10.1126/scirobotics.abc8191

[7] M-spray

ترجمه شده منبع: https://www.sciencedaily.com/releases/2020/11/201118141839.htm

مترجم: مهدیه نادی سنجانی
تاریخ: 1399/9/5