Ett team av forskare från University of Waterloo har skapat smarta, avancerade material som kommer att vara byggstenarna för en framtida generation av mjuka medicinska mikrorobotar. De publicerade sina resultat i Nature Communications.
Dessa små robotar har potential att utföra medicinska procedurer, såsom biopsi och cell- och vävnadstransport, på ett minimalt invasivt sätt. De kan röra sig genom begränsade och översvämmade miljöer, som människokroppen, och leverera känslig och lätt last, såsom celler eller vävnader, till en målposition.
De små mjuka robotarna är max en centimeter långa och är biokompatibla och giftfria. Robotarna är gjorda av avancerade hydrogelkompositer som innehåller hållbara cellulosananopartiklar som härrör från växter.
Denna forskning, ledd av Hamed Shahsavan, professor vid Institutionen för kemiteknik, skildrar ett holistiskt synsätt på design, syntes, tillverkning och manipulation av mikrorobotar. Hydrogelen som används i detta arbete ändrar form när den utsätts för extern kemisk stimulering. Förmågan att orientera cellulosananopartiklar efter behag gör det möjligt för forskare att programmera en sådan formförändring, vilket är avgörande för tillverkningen av funktionella mjuka robotar.
"I min forskargrupp överbryggar vi gammalt och nytt", säger Shahsavan, chef för Smart Materials for Advanced Robotic Technologies (SMART-Lab). "Vi introducerar nya mikrorobotar genom att utnyttja traditionella mjuka ämnen som hydrogeler, flytande kristaller och kolloider."
Den andra unika komponenten i detta avancerade smarta material är att det är självläkande, vilket gör det möjligt att programmera ett brett utbud i form av robotarna. Forskare kan klippa materialet och klistra ihop det igen utan att använda lim eller andra lim för att bilda olika former för olika procedurer.
Materialet kan modifieras ytterligare med en magnetism som underlättar förflyttning av mjuka robotar genom människokroppen. Som ett bevis på hur roboten skulle manövrera genom kroppen, flyttades den lilla roboten genom en labyrint av forskare som kontrollerade dess rörelse med hjälp av ett magnetfält.
"Kemiska ingenjörer spelar en avgörande roll för att tänja på gränserna för medicinsk mikrorobotikforskning," sa Shahsavan. "Intressant nog kräver att tackla de många stora utmaningarna inom mikrorobotik de färdigheter och kunskaper som kemiingenjörer besitter, inklusive värme- och massöverföring, vätskemekanik, reaktionsteknik, polymerer, mjukämnesvetenskap och biokemiska system. Så vi är unikt positionerade för att introducera innovativa vägar inom detta framväxande område."
Nästa steg i denna forskning är att skala ner roboten till submillimeterskalor.
Shahsavans forskargrupp samarbetade med Waterloo's Tizazu Mekonnen, professor från institutionen för kemiteknik, professor Shirley Tang, biträdande dekanus för vetenskap (forskning), och Amirreza Aghakhani, professor från universitetet i Stuttgart i Tyskland.
Mer information: Rasool Nasseri et al, Programmerbara nanokompositer av cellulosananokristaller och zwitterjoniska hydrogeler för mjuk robotik, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-41874-7
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av University of Waterloo
