Robot origami nhỏ giúp phân phối thuốc nhắm đích chính xác hơn
Nếu đã từng nuốt một viên thuốc tròn với hi vọng chữa trị được bách bệnh từ đau dạ dày đến đau đầu, chắc hẳn bạn cũng biết là không phải lúc nào thuốc cũng được thiết kế để đến được đúng các điểm bị đau một cách chính xác. Dù những viên thuốc không kê đơn đã chữa khỏi nhiều bệnh trong nhiều thập kỷ, các nhà nghiên cứu y sinh gần đây mới bắt đầu khám phá các cách để cải thiện việc phân phối thuốc nhắm đích khi điều trị các chứng bệnh phức tạp hơn, ví dụ bệnh tim mạch hoặc ung thư.
Một đổi mới sáng tạo đầy hứa hẹn trong lĩnh vực y sinh sôi động này là robot nhỏ (millirobot). Các robot có kích thước bằng ngón tay này đang được hi vọng sẽ trở thành những giải pháp y học có thể cứu sống nhiều mạng người trong tương lai – để di chuyển, quay và bơi vào các không gian nhỏ với nhiệm vụ điều tra các vận hành bên trong cơ thể hoặc phân phát thuốc.
Dẫn đầu nghiên cứu trong lĩnh vực này là nhà kỹ sư cơ học trường đại học Stanford Renee Zhao, hiện đang tập trung vào các thiết kế các vi robot – bao gồm một robot di chuyển chậm theo từ trường, gần đây đã có thể quan sát được cả giun di chuyển trong một dạ dày, nghiên cứu được đưa lên bìa Science Advances. Được từ trường dẫn hướng- cho phép chuyển động liên tục và có thể được ứng dụng để tạo ra mô men xoáy, thay đổi con đường mà robot đi – các con robot của cô có thể tự lựa chọn các trạng thái di chuyển khác nhau và vượt qua các rào cản trong cơ thể. Chỉ bằng việc chuyển cường độ và định hướng của từ trường, nhóm nghiên cứu của Zhao đã có thể gửi robot đi khắp cơ thể tại các khoảng cách bằng một bước nhảy có chiều dài gấp 10 lần chiều dài của robot.
Một khía cạnh chính của nghiên cứu này là sự khởi động từ cũng đem lại sự kiểm soát từ xa cho điều khiển không xâm lấn và phân tách với bộ phận kiểm soát từ thiết bị. Zhao nói robot mới nhất của họ, được đăng tải trên Nature Communications, là “robot mạnh nhất và đa chức năng nhất mà chúng tôi đã từng phát triển”.
Vi robot origami mới không dây có khả năng spin là một robot đa chức năng. Thật thú vị khi đón nhận một thiết bị có khả năng tăng tốc di chuyển qua bề mặt một nội quan, các bề mặt không bằng phẳng và bơi được qua các loại dịch cơ thể, tự đẩy chính mình trong khi vận chuyển các loại thuốc dạng lỏng. Không giống như những viên thuốc được uống hoặc chất lỏng được tiêm vào người, robot này chỉ đến khi “chạm đến đích mới đưa ra một loại thuốc nồng độ cao” Zhao nói. Hiện cô là trợ ly giáo sư về kỹ thuật cơ học. “Đó là cách robot của chúng tôi đạt được thành công trong việc phân phối thuốc nhắm đích”.
Tái định hình sự phân phối thuốc
Nền tảng cho loại robot này, theo lời của Zhao, đã vượt ra ngoài những thiết kế của các robot dựa trên origami, vốn áp dụng cách gập origami để kiểm soát sự thay hình đổi dạng và chuyển động của robot.
Ngoài việc xem xét cách gấp có thể cho phép robot thực hiện một số hành động nhất định — hãy tưởng tượng cây đàn accordion với phần gập có thể ép được ra thuốc – nhóm nghiên cứu của Zhao cũng xem xét các chiều của hình dạng chính xác của mỗi phần gập ảnh hưởng như thế nào đến chuyển động cứng của robot khi nó không được gập. Và kết quả là, hình dạng chưa gập của robot tự nó đã được hưởng lực đẩy trong môi trường. Những cân nhắc sâu sắc như vậy cho phép các nhà nghiên cứu sử dụng nhiều hơn các vật liệu mà không bị tăng khối lượng — và trong thế giới của Zhao, càng nhiều chức năng đạt được từ một cấu trúc duy nhất trong thiết kế của robot, thì càng tạo ra các quy trình y tế ít xâm lấn .
Một khía cạnh độc đáo khác của thiết kế robot là sự kết hợp của các đặc điểm hình học nhất định. Một lỗ theo chiều dọc vào trung tâm của rô bốt và các khe bên nghiêng góc về hai bên làm giảm thiểu khả năng khángnước và giúp nó bơi tốt hơn. “Thiết kế này tạo ra một áp suất âm trong robot để có thể bơi nhanh, đồng thời đem lại lực hút cho việc nhận và vận chuyển”, Zhao cho biết, “Chúng tôi tận dụng tối đa các đặc điểm hình học của robot này và khám phá cấu trúc nó cho các ứng dụng khác nhau và cho các chức năng khác nhau”.
Trên cơ sở trao đổi với các chuyên gia Khoa Y học Stanford, nhóm nghiên cứu của Zhao đang xem xét cách cải thiện các điều trị hiện nay và các sản phẩm bằng việc tạo ra các công nghệ mới. Nếu mọi sự diễn ra như cách nghĩ của Zhao, các con robot của cô không chỉ đem đến một cách cải thiện hiệu quả trong phân phối thuốc mà còn hữu dụng trong việc mang các thiết bị hay camera vào cơ thể con người, thay đổi cách các bác sĩ khám bệnh nhân. Nhóm nghiên cứu đang nghiên cứu về hình ảnh siêu âm để dò theo những nơi robot đến, loại trừ bất cứ hình thức điều trị xâm lấn để mở các cơ quan đưa thiết bị vào.
Nhỏ hơn, đơn giản hơn và tốt hơn
Trong khi chúng ta chưa thấy những robot như loại của Zhao trong điều trị bệnh thật trong thế giới thực như những thiết kế tối ưu và thực hành hình ảnh tốt nhất, robot tiên tiến nhất loại này đã được nêu bật trong xuất bản ở tạp chí Nature Communications 1. Hiện tại nó đang ở trong các pha thử nghiệm thiết bị trước khi đưa vào thử nghiệm trên mô hình động vật sống và kế tiếp sau là các ca thử nghiệm lâm sàng trên người.
Theo nghĩa này, nhóm nghiên cứu của Zhao tiếp tục kết hợp với những vật liệu thông minh mới và các cấu trúc mới để đưa nó vào các thiết kế độc đáo và cuối cùng hình thành các thiết bị y sinh mới. Cô cũng lên kế hoạch tiếp tục thu nhỏ robot để có thể nghiên cứu y sinh ở cấp độ vi mô.
Là một kỹ sư, Zhao cố gắng phát triển các cấu trúc đơn giản nhất với đầy đủ chức năng nhất. Robot có thể hoạt động ở nhiều dạng môi trường khác nhau của cô minh chứng cho sứ mệnh đó, vì nó truyền cảm hứng cho nhóm nghiên cứu của cô xem xét một cách đầy đủ các đặc điểm hình học vốn chưa được các nhà nghiên cứu về robot origami khác ưu tiên. “Chúng tôi bắt đầu xem xét cách các công trình đó hoạt động song song với nhau như thế nào”, Zhao nói. “Đây là một điểm độc đáo cho công trình này và cũng chứa đựng nhiều ứng dụng tiềm năng trong lĩnh vực y sinh”.
Thanh Hương tổng hợp
Nguồn: https://techxplore.com/news/2022-06-origami-millirobots-health-closer-precisely.html
https://news.stanford.edu/press-releases/2022/06/14/tiny-robots-precon-drug-delivery
————————————–
1. https://www.nature.com/articles/s41467-022-30802-w
