Millirobot vận chuyển thuốc trong cơ thể

Đưa thuốc đến tận nơi

Một nhóm nhà nghiên cứu y sinh gần đây bắt đầu xem xét những phương pháp điều trị một số vấn đề y tế phức tạp như ung thư hoặc bệnh tim mạch hiệu quả hơn bằng cách sử dụng phân phối thuốc nhắm mục tiêu.

Hình ảnh millirobot origami có thể di chuyển bằng cách xoay tròn.

Millirobot là bước phát triển tiềm năng trong lĩnh vực y sinh đang phát triển này. Với khả năng bò, xoay tròn và bơi vào những địa điểm chật hẹp trong sứ mệnh khám phá cơ chế hoạt động bên trong hoặc phân phát thuốc, những robot có kích thước bằng đầu ngón tay này được thiết lập để trở thành chỗ dựa tin cậy tương lai trong y học.

Renee Zhao, kỹ sư cơ khí dẫn đầu nghiên cứu trong lĩnh vực robot tại Đại học Stanford, đang đồng thời phát triển một số thiết kế millirobot - bao gồm một robot bò bằng nam châm gần đây được nhìn thấy đang chui qua dạ dày trên trang bìa của tạp chí Science Advances.

Robot của Zhao có thể tự chọn các trạng thái đầu máy khác nhau và điều hướng mọi chướng ngại vật bên trong cơ thể vì chúng được cung cấp năng lượng từ trường, cho phép chuyển động liên tục và có thể được áp dụng ngay lập tức để tạo ra mô-men xoắn. Nhóm của Zhao đã khám phá ra một cách để đẩy một con robot ngang qua cơ thể với khoảng cách gấp 10 lần chiều dài của nó chỉ trong một lần nhảy đơn giản bằng cách thay đổi hướng và cường độ từ trường.

Một khía cạnh quan trọng trong nghiên cứu của Zhao, hoạt động từ tính cũng cung cấp khả năng kiểm soát không bị ràng buộc cho hoạt động không xâm lấn và tách bộ phận điều khiển khỏi thiết bị để cho phép thu nhỏ. Zhao cho biết robot gần đây nhất của họ là “robot mạnh mẽ và đa chức năng nhất mà chúng tôi từng phát triển”. Millirobot origami lội nước không dây hỗ trợ quay mới này đa chức năng đúng như tên gọi của nó. Đó là một đơn vị duy nhất được thiết kế trang nhã có thể di chuyển nhanh chóng trên bề mặt nhẵn, không bằng phẳng của cơ quan và bơi qua chất dịch cơ thể, tự đẩy không dây trong khi vận chuyển thuốc dạng lỏng.

Zhao nhấn mạnh không giống như những viên thuốc được nuốt hoặc tiêm chất lỏng, robot này giữ lại thuốc cho đến khi “đạt được mục tiêu và sau đó giải phóng một loại thuốc có nồng độ cao. Đó là cách robot của chúng tôi đạt được mục tiêu vận chuyển thuốc”.

Định hình lại việc cung cấp thuốc

Theo Zhao, điều đột phá về robot lội nước đặc biệt này là nó vượt xa các thiết kế của hầu hết robot dựa trên origami - vốn chỉ sử dụng khả năng gập của origami để kiểm soát cách robot biến hình và di chuyển. Ngoài việc xem xét cách gấp có thể cho phép robot thực hiện một số hành động nhất định - hãy tưởng tượng một chiếc đàn xếp có thể vắt ra thuốc - nhóm của Zhao cũng xem xét kích thước của hình dạng chính xác của từng nếp gấp ảnh hưởng đến chuyển động cứng nhắc của robot khi nó không được gập lại.

Kết quả là, hình dạng mở ra của robot vốn đã tự tạo ra lực đẩy trong môi trường cơ thể. Những cân nhắc rộng rãi như vậy cho phép nhà nghiên cứu tận dụng được nhiều vật liệu hơn mà không cần thêm số lượng lớn - và trong thế giới của Zhao, càng có nhiều chức năng đạt được từ một cấu trúc duy nhất trong thiết kế của root, thì quy trình y tế càng ít xâm lấn hơn.

Một khía cạnh độc đáo khác trong thiết kế robot là sự kết hợp các đặc điểm hình học nhất định. Một lỗ dọc ở trung tâm robot và các khe bên nghiêng lên hai bên làm giảm lực cản của nước và giúp nó bơi tốt hơn. Zhao giải thích: “Thiết kế này tạo ra áp suất âm trong robot để bơi nhanh, đồng thời cung cấp lực hút để lấy và vận chuyển thuốc. Chúng tôi tận dụng tối đa các đặc điểm hình học của robot nhỏ này và khám phá cấu trúc đơn lẻ đó cho mọi ứng dụng khác nhau và cho mọi chức năng khác nhau”.

Phòng thí nghiệm Zhao đang xem xét cách cải thiện các phương pháp điều trị và quy trình hiện tại bằng cách xây dựng công nghệ mới. Nếu công việc này diễn ra theo cách của Zhao, robot sẽ không chỉ cung cấp một cách thuận tiện để phân phối thuốc hiệu quả mà còn có thể được sử dụng để mang dụng cụ hoặc máy ảnh vào cơ thể, thay đổi cách bác sĩ khám bệnh cho bệnh nhân.

Nhóm nghiên cứu cũng đang nghiên cứu sử dụng hình ảnh siêu âm để theo dõi nơi robot di chuyển, loại bỏ mọi nhu cầu cắt bỏ nội tạng.

Càng nhỏ và càng đơn giản càng tốt

Mặc dù chúng ta sẽ không thấy millirobot như của Zhao trong những cơ sở chăm sóc sức khỏe thực sự cho đến khi biết nhiều hơn về phương pháp hay nhất về thiết kế và hình ảnh tối ưu, nhưng “vận động viên bơi lội” đầu tiên của phòng thí nghiệm được nêu bật trên tạp chí Nature Communications là một trong những robot của họ tiến xa nhất.

Robot hiện đang trong giai đoạn thử nghiệm trước bất kỳ thử nghiệm động vật sống nào trước khi tiến hành thử nghiệm lâm sàng ở người. Trong khi chờ đợi, nhóm của Zhao tiếp tục kết hợp nhiều loại vật liệu và cấu trúc thông minh mới lạ thành các thiết kế độc đáo để cuối cùng tạo thành các thiết bị y sinh mới. Zhao cũng có kế hoạch tiếp tục thu nhỏ robot của mình để nghiên cứu y sinh hơn nữa ở cấp độ vi mô.

Là một kỹ sư, Zhao cố gắng phát triển cấu trúc đơn giản nhất với nhiều chức năng nhất. Robot lội nước của Zhao minh họa cho sứ mệnh đó, vì nó đã truyền cảm hứng cho nhóm nhà nghiên cứu xem xét đầy đủ hơn các đặc điểm hình học thường không được các nhà nghiên cứu robot origami khác ưu tiên. Zhao bình luận: “Chúng tôi bắt đầu xem xét cách tất cả những thứ này hoạt động song song. Đây là một điểm rất độc đáo của công trình này, và nó cũng có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực y sinh”.

Trang Thuần (Tổng hợp)