Magnetische Roboter in der Medizin: erstaunliche Erfindungen / Sudo Null IT News

Mikroroboter sind nicht autonom: Um sie zu steuern, braucht man Einfluss von außen. Eine Möglichkeit besteht darin, ein Magnetfeld zu verwenden, um eine kleine Kreatur dazu zu bringen, sich zu bewegen, zu springen und “Beute” zu greifen.

Unter dem Schnitt sammelten sie beeindruckende Projekte magnetischer Mikroroboter. Wie funktional sie sind und wie sie in der Medizin helfen können – das verraten wir in der Auswahl.


Mikroroboter aus ferromagnetischen Chips

Im Jahr 2011 schufen Wissenschaftler des Argonne National Laboratory magnetische Mikrobots mit einer Größe von bis zu 0,5 mm. Sie können sich organisiert bewegen und sich in unterschiedlichen Strukturen versammeln. Zum Beispiel in einer runden Form, die Wissenschaftler “Astern” nannten.


Vier “Astern” fangen Partikel ein.
Quelle

Arbeitsprinzip

Erinnern Sie sich an die Schulerfahrung mit der Manifestation der Form des Magnetfelds. Es gibt eine flache Spule – einen um einen Kreis gewickelten Draht. Daneben steht ein glatter Tisch, auf den Metallspäne gegossen werden.

Wenn Strom an die Spule angelegt wird, entsteht ein Magnetfeld. Die Metallpartikel bewegen sich und richten sich entlang ihrer Kraftlinien aus.

Video des Experiments mit dem Kreisstrom-Magnetfeld

Etwa nach dem gleichen Prinzip funktionieren magnetische Mikroroboter: Sie lassen sich mit einem Magnetfeld manipulieren. Der einzige Unterschied liegt im Medium: Damit die Partikel beweglicher werden, wurden sie in eine Schicht zwischen Öl und Wasser gebracht. Warum, glauben Sie, haben Wissenschaftler diese Umgebung gewählt? Schreiben Sie in die Kommentare.

Äußeres Magnetfeld

Die Mikroroboter selbst bestehen aus ferromagnetischen Partikeln. Das bedeutet, dass sie auch nach dem Abschalten des externen Magnetfelds magnetisiert bleiben können. Um die Struktur von Mikrorobotern neu zu konfigurieren, müssen Sie die Richtung des Magnetfelds ändern – um die Partikel neu zu magnetisieren.

Die Ummagnetisierbarkeit von Ferromagneten lässt sich mit einer Hystereseschleife darstellen. Zunächst wird der Ferromagnet entlang der Magnetfeldlinien magnetisiert. Wenn es ausgeschaltet ist, behält das Material eine Restmagnetisierung. Um es loszuwerden, müssen Sie die Richtung des Magnetfelds in das Gegenteil ändern.
Hystereseschleife für einen Ferromagneten. Quelle

Um Mikroroboter zu steuern, verwenden Entwickler zwei Magnetfelder: Um ferromagnetische Partikel in “Astern” zu verwandeln, müssen Sie das vertikale Feld verstärken und es horizontal bewegen.


Formänderung von Mikrorobotern unter Einfluss eines Magnetfelds. Quelle

Anwendungsgebiet

Es klingt verlockend: Theoretisch können magnetische Mikroroboter eingesetzt werden, um Medikamente an bestimmte Körperstellen zu bringen. Aber es gibt auch andere Verwendungen. Astern können verwendet werden, um einzelne Mikrokörper zu isolieren und aus dem Körper zu entfernen.

„Astern sind stark genug, außerdem können sie Objekte feinfühliger bearbeiten als mechanische Mikromanipulatoren“, sagt Igor Aronson, Physiker am Argonne Laboratory.

Für die Arzneimittelabgabe scheint eine größere Option geeignet zu sein.

Domino-Roboter

Im Jahr 2018 haben Ingenieure der Purdue University und Western Lafayette einen kleinen, aber schnellen magnetischen Roboter geschaffen. Unter dem Einfluss eines Magnetfeldes kann es sich mit Geschwindigkeiten von bis zu 5 cm / s bewegen. Außerdem beträgt seine Größe nur einen Quadratmillimeter (400 Mikrometer × 800 Mikrometer) – der Roboter ist doppelt so groß wie die Vorgängerentwicklung.


Domino-Roboter bewegt sich. Quelle

Mobilität

Neben Geschwindigkeit und Abmessungen hat der Roboter eine Reihe von Funktionen.

  • Kann sich in trockenen und flüssigen Umgebungen bewegen. Bei letzterem bremst der Roboter allerdings auf 1,5 cm/s ab.
  • Kann geneigte Oberflächen erklimmen – bis zu 60 Grad.

Das alles ist der speziellen Bewegungsmechanik zu verdanken.

Arbeitsprinzip

Die Form des Mikroroboters ähnelt Dominosteinen. Das Design basiert auf einer leichten Fotolackkachel und zwei magnetisierten „Kappen“ mit dem Zusatz von Magnetpartikeln.

Ein rotierendes externes Magnetfeld lässt den Roboter Purzelbäume schlagen: Die „Kappen“ werden magnetisiert und ziehen die Struktur mit, bis das Feld nachlässt.


Domino-Robotermodell. Quelle

Um den Roboter zu steuern, müssen keine großen Induktoranlagen gebaut werden. Ein Magnetfeld von 2 bis 40 mT reicht aus – es kann mit einem kleinen Solenoid erzeugt werden. Das einzige, was zu Hause schwierig sein wird, ist ein Schwungrad, das den Magneten mit einer Frequenz von 100 bis 2000 Hz dreht.

Anwendungsgebiet

Es scheint, dass das Design der Forscher für die Verabreichung von Medikamenten besser geeignet ist als “Astern”. Aber wie man ein Tablet an der Mikroroboterstruktur befestigt, ist eine offene Frage.

Aber der Roboter kann nicht nur an einem steilen Hang klettern, sondern auch unebene geriffelte Oberflächen mit kleinen Vorsprüngen und Gruben überwinden – das reicht in den Organen. Für die Arbeit in Schiffen gibt es jedoch eine geeignetere Option.

Mikroroboter aus Algen

2017 erfanden Forscher der Universitäten Hongkong, Edinburgh und Manchester magnetische Roboter aus Spirulina-Algen. Es wird häufig in Futtermittelzusatzstoffen verwendet und ist für den Menschen ungefährlich.


Bewegung von Mikrorobotern aus Algen in Lösung. Quelle

Arbeitsprinzip

Zur Steuerung der Roboter nutzen die Wissenschaftler eine dreiachsige Anlage mit

Helmholtz-Spulen

— sie erzeugen auf engstem Raum ein Magnetfeld. Die Stärke des Feldes kann entlang jeder der Raumachsen eingestellt werden.


Dreiachsiger Helmholtz-Aufbau

Die dreidimensionale Wirkung des Magnetfelds bringt die Roboter in verschiedenen Bereichen zum Schwingen. Dadurch bewegen sie sich wie Schlangen in einem flüssigen Medium.


Schema der Bewegung eines solchen Roboters in einem magnetischen Wechselfeld. QuelleDie Autoren testeten den Roboter in verschiedenen Flüssigkeiten – in Blut, Magensaft, Urin und … Erdnussbutter. In welcher Umgebung bewegt sich der Roboter Ihrer Meinung nach schneller? Schreiben Sie in die Kommentare.

Sie haben vielleicht eine Frage: „Wie steuert man Roboter mit einem Magnetfeld, wenn sie aus Algen bestehen?“

Sorry für die Schlauheit. Die Entwickler konnten die Metalle nicht loswerden: Um die Eigenschaften eines Magneten zu verleihen, fügten die Wissenschaftler Nanopartikel aus Magnetit hinzu – Eisenoxid, Fe3O4.

Anwendungsgebiet

Die Forscher testeten die Wirkung von Robotern auf Krebszellen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Robopartikel für Gebärmutterhals- und Leberkrebs toxisch sind. Nach der Einführung des Medikaments in Krebszellen wird die Apoptose ausgelöst – der Prozess des “Zellselbstmords”.

Vielleicht sterben die Krebszellen wegen Phycocyanin, einem Bestandteil der Spirulina-Alge.

Auch Magnetit, das Teil des Roboters ist, kann helfen – es wird verwendet, um Tumore zu „beschießen“. Metallpartikel werden in den Tumorbereich eingebracht und mit einem magnetischen Wechselfeld auf 43-45 °C erhitzt. Mehr über die Verwendung von Magnetit in der Medizin können Sie in lesen

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NUST MISIS.

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Hydrogel-Roboter

Bisher haben wir von nicht abbaubaren Mikrorobotern gesprochen – nach dem Einbringen in den Körper müssen sie chirurgisch entfernt werden.

Die neueste Entwicklung in der Kollektion ist das komplette Gegenteil. Weichmagnetischer Roboter mehr Vorläufer und kann sich in 48 Stunden bei menschlicher Körpertemperatur auflösen.


Der Roboter löst sich in Wasser auf. Quelle

Woraus besteht es

Die Fähigkeit zur Auflösung ist ein Merkmal der Zusammensetzung, aus der der Roboter besteht. Es basiert auf dem ferromagnetischen Hydrogel Hof-Gel15-Fe3O4, bestehend aus Gelatine und Eisenoxidpartikeln.

Nicht umsonst wird der Roboter als weich bezeichnet: Er kann sich wie eine Raupe biegen, falten und bewegen. Dazu hat er kleine Pfoten – sie werden auch benötigt, um winzige Objekte zu erfassen.


Roboterbeine, die ein winziges Objekt halten

Herstellungstechnologie

Das Magnetfeld dient nicht nur der Steuerung des Roboters, sondern auch seiner „Programmierung“ – der Bildung von Beinen aus einer ferromagnetischen Masse.


Petrischalen über einem Permanentmagneten. Quelle

Die Substanz wird in eine Petrischale gegeben und auf der Oberfläche verteilt, unter der sich ein Dauermagnet befindet. Dadurch wird die Masse polarisiert und in Richtung des Magnetfeldes gestreckt.


Der Einfluss des Magnetfeldes auf die Substanz des Roboters. Quelle

Die Anzahl der Beine kann angepasst werden – ändern Sie einfach den Abstand vom Becher zum Magneten: Je kleiner, desto mehr Beine. Eine ähnliche Situation mit der Kraft des Magneten: Wenn Sie Hunderte von Beinen wachsen lassen und den Trypophob erschrecken möchten, nehmen Sie einen stärkeren Magneten.


Die Abhängigkeit der Beinzahl von der Stärke des Magnetfeldes. QuelleAußerdem hängt die Anzahl der Beine von der Dicke der Anfangsschicht ab, die auf die Oberfläche des Bechers aufgetragen wird. Die Forscher behaupten, dass eine Schicht von 800 Mikrometer Dicke für den Roboter ausreicht.

Zum “Speichern der Einstellungen” – Verfestigung der ferromagnetischen Masse – müssen Sie eine Ammoniumsulfatlösung hinzufügen. Innerhalb von 12 Stunden bildet sich ein Hydrogel, das mit einem externen Magnetfeld manipuliert werden kann.

Robotersteuerung

Das Funktionsprinzip ist einfach. Wenn ein Magnet hochgezogen wird, werden separate Teile des Roboters – zum Beispiel die rechte und die linke Seite – mit unterschiedlichen magnetischen Momenten „aufgeladen“. Das heißt, sie klappen in verschiedene Richtungen: Die rechte Seite des Roboters ruht auf dem Boden und die linke Seite hebt sich.


Verdrehen des Roboters unter dem Einfluss eines Magnetfelds. Quelle

Durch Bewegen und Drehen des Magneten können Sie den Roboter steuern – ihn biegen und Purzelbäume schlagen lassen.

Der Roboter macht Purzelbäume

Dasselbe passiert mit den Beinen: Aufgrund unterschiedlicher magnetischer Momente werden die Tentakel in verschiedene Richtungen zusammengedrückt und greifen zu.


Die Wirkung des Magnetfeldes auf die Beine des Roboters. QuelleBeim Testen des Roboters war das schwerste Gewicht, das ein Beinpaar heben konnte, ein Gummiband mit einem Gewicht von 0,3 g, was fast dem 6-fachen der Masse der Beine entspricht.

Anwendungsgebiet

Die Autoren des Projekts stellen fest, dass Hydrogel-Roboter gut geeignet sind, um Medikamente an bestimmte Körperstellen zu bringen. Ein Beispiel ist ein Modell der Roboterbewegung im Magen.


Modell der Bewegung des Roboters im Magen. Quelle

Außerdem löst sich der Hydrogel-Roboter innerhalb von 48 Stunden auf und quält den Magen-Darm-Trakt nicht.

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