211service.com
Bygga en självmonterande stomach-Bot
Läkare har länge sökt bättre sätt att undersöka hur människokroppen fungerar utan att behöva skära upp sina patienter. En kamera som kan sväljas, lite större än ett vanligt piller, kan redan ta bilder när den flyter genom magen och tarmen, vilket erbjuder ett mindre invasivt sätt att utföra diagnos än ett endoskop eller operation. Nu testar ett konsortium av europeiska forskare ett sätt att ansluta flera sväljbara enheter för att skapa en kirurgisk robot som skulle självmontera inuti magen.
Länkat: Genom att använda magnetiska länkar mellan kapslar hoppas forskarna bygga en ormliknande robot som kan monteras själv inuti en patients mage.
Det israeliska företaget som utvecklade de första pillerkamerorna, Given Imaging, arbetar för närvarande på ett sätt att kontrollera rörelsen av sin kamerakapsel från utsidan av kroppen. Flera akademiska forskargrupper tittar också på sätt att låta sväljbara kapslar manövrera sig själva genom att rulla, krypa eller fastna i vävnad. Med större kontroll borde läkarna bättre kunna diagnostisera och eventuellt till och med behandla sjukdom. Men kapaciteten hos sådana tarmanordningar kommer fortfarande att vara begränsade eftersom en kapsel måste förbli tillräckligt liten för att bekvämt kunna sväljas.
Ett samarbete mellan forskare från Italien, Frankrike, Schweiz och Spanien, kallade ARES , testar ett sätt för flera kapslar att automatiskt knäppa ihop. Var och en skulle sväljas individuellt innan den sätts ihop till en mer komplex enhet när den väl är i magen.
Det slutliga målet är att varje kapsel ska utföra en annan uppgift: en för avbildning, en för kraft, en för att ta prover och så vidare. Väl inne i magen skulle kapslarna länkas samman och skapa en ormliknande enhet som kunde glida genom tarmarna och utföra mer komplexa uppgifter än de som utförs av en enda kapsel eller flera fritt flytande sådana.
Multimedia
Klicka här för att se hur forskare genomförde det självmonterande modulära experimentet.
Klicka här för att se ett proof of concept av de sväljbara modulerna i aktion.
Istället för att ha en enda kapsel, föreslår vi ett modulärt tillvägagångssätt där var och en av kapslarna kan ha olika funktioner, säger Zoltán Nagy , en forskare vid Swiss Federal Institute of Technology (ETH), i Zürich, och medlem i ARES-projektet. Innan vi faktiskt kan prata om sådana komplexa robotar inne i magen måste vi lösa det grundläggande problemet med självmontering. Vårt arbete föreslår ett [sätt] att detta kan göras robust, säger Nagy.
ETH-gruppen bestämde sig för att använda magneter för att ansluta sina moduler, eftersom de inte kräver ström ombord och enkelt kan övervakas från utsidan av kroppen.
För att hitta den bästa designen för de självmonterande kapslarna testade forskarna olika design i en plastmodell av magsäcken fylld med vätska. De körde runt 50 tester för var och en av 12 olika konfigurationer av modulstorlek, magnettyp och magnetarrangemang. En enda magnet med sin positiva-negativa axel på ytan av en längre kapsel fungerade bäst, vilket gav en 75-procentig framgångsgrad när det gällde att koppla ihop de två kapslarna; modifiering av magnetmodulen för att göra den mer flexibel ökade detta till 90 procent. Gruppen kommer att presentera detaljer om de länkande modulerna denna vecka vid den internationella konferensen om intelligenta robotar och system i Frankrike.
[Arbetet] är intressant som koncept eftersom modulära robotar som monteras inuti kroppen skulle kunna möjliggöra mer flexibla och komplexa gastrointestinala robotapplikationer, säger Metin Sitti , en forskare som arbetar med att gripa robotkapslar vid Carnegie Mellon University. Nuvarande kapslar blir vanligtvis större genom att lägga till fler funktioner ... Att sätta ihop moduler skulle ha [färre] sådana problem.
Magtest: Forskare vid det schweiziska federala tekniska institutet i Zürich använde en plastmage för att se vilken magnetisk design som länkar bäst i ett begränsat utrymme fullt av vätska.
En av de viktigaste begränsningarna [av den sväljbara bildkapseln] är batteriet, säger Milan Dodig , en gastroenterolog vid Cleveland Clinic, som använder apparaten för att behandla sina patienter. Det tar nästan 60 procent av kapselns volym; den är inte styrbar [och] kan fortfarande missa saker. Vinkeln på bilderna är också begränsande, och du kan inte se hela [tarmen].
ETH-teamet kunde upptäcka hur väl moduler länkades samman genom att övervaka förändringar i varje magnets fält. Med [denna] enkla metoden kan jag upptäcka om en är ansluten, vilket innebär att jag kan skapa en bild på datorn, säger Nagy.
Nästa steg i forskningen kommer att innebära att se till att magneterna inte skadar vävnaden när de låser sig. Detta kommer att involvera att testa systemet i en rörlig konstgjord mage eller en djurmage som tillhandahålls av en partnergrupp. Teamet måste också hitta ett sätt att kontrollera hur kapslarna ordnar sig.
Något sådant som kan sväljas, självmonteras och fjärrstyras skulle vara ett stort framsteg, säger Joseph Murray , en gastroenterolog vid Mayo Clinic, som inte var involverad i arbetet. Han säger dock att det blir en utmaning att använda magneterna säkert.
Det finns en stor efterfrågan från läkare på att ha en styrbar, rörelsestyrd kamera, tillägger Frank Volke, projektledare vid Fraunhofer Institute for Biomedical Engineering, i Sankt Ingbert, som hjälper till att utveckla en teknik för att styra Given Imagings pillerkamera av magnetiskt styra den. Jag tycker att det är en mycket intressant vetenskaplig forskningsmetod som kan ta längre tid för praktisk användning, säger Volke om ETH-arbetet.
Nagy säger att det magnetiska länkschemat som utvecklats av hans team också kan användas för att bygga sök- och räddningsrobotar som kan glida genom spillror och in i trånga utrymmen. Man kan tänka sig att slänga i ett par bitar av roboten och den självmonterande, säger Nagy.