✅Маленькие, мягкие, безопасные, умные роботы

 

Da Vinci Robotic

В научной фантастике роботы часто изображаются как обладающие интеллектом и способностями, подобными человеческим, взаимодействующие с людьми естественным, часто антропоморфным образом. Когда-то только предмет голливудских блокбастеров, сегодняшние роботы все чаще становятся частью повседневной жизни. Исторически роботы использовались в ситуациях, которые слишком трудны или слишком опасны для человека, а также требуют

навыков или силы, выходящих за рамки человеческих возможностей. Классическими примерами являются роботы сборочной линии, роботы-манипуляторы в космических приложениях и боевые роботы, которые ищут мины или самодельные взрывные устройства. Совсем недавно роботы появляются в домах людей как автоматические пылесосы, газонокосилки и игрушки. Основные роботизированные технологии, которые были разработаны для этих продуктов (таких как датчики, приводы, алгоритмы управления и механизмы), являются доступными и доступными и в настоящее время применяются для широкого спектра медицинских применений.

Ярким примером медицинских роботов является робот da Vinci от Intuitive Surgical. da Vinci-это многорукавный, телеоперативный, малоинвазивный хирургический инструмент, который успешно применяется в самых разных процедурах-от урологии до кардиологии. Однако, несмотря на внушительную установленную базу, он стоит слишком дорого для использования за пределами крупных медицинских центров и учреждений. Таким образом, существует возможность разработать новый класс доступных роботизированных инструментов, которые являются более ловкими и предоставляют дополнительные возможности врачам. 

Например, с умными, компенсирующими движение катетерами и отслеживанием движения в реальном времени (таким как трехмерный ультразвук), может быть возможно выполнить минимально инвазивную кардиохирургию, не останавливая сердце, делая его неподвижным для оператора. Анастомозы разорванных нервов или крошечных кровеносных сосудов могут быть выполнены более легко с помощью микроманипуляторов, которые могут безопасно захватывать и манипулировать этими деликатными структурами. Наконец, мы, вероятно, увидим управляемые иглы и эндоскопы, похожие на щупальца и змеи, которые смогут обеспечить доступ к труднодоступным участкам тела. В целом, эти роботизированные инструменты будут иметь датчики, которые позволяют кооперативным контроллерам работать как расширение врача.

Большинство существующих биомедицинских роботов, как хирургических, так и носимых, являются жесткими. Исторически это имеет смысл, учитывая первоначальное использование роботизированных манипуляций для быстрых, высокоточных, повторяющихся движений при манипулировании тяжелыми компонентами во время сборки. Но человеческое тело, кроме костей, в основном мягкое. Это означает, что жесткие биомедицинские роботы должны полагаться на точную сенсорную обратную связь и высокопроизводительные системы управления для обеспечения безопасности пациента. 

Таким образом, имеет смысл подумать о новой парадигме в робототехнике, в которой сами роботы согласованы по импедансу с окружающей средой: другими словами, мягкая робототехника. Создание роботов из полимеров, в частности, эластомеров с модулями, сравнимыми с человеческой кожей, автоматически устраняет многие проблемы безопасности при взаимодействии человека и робота. Однако это сопряжено с определенными издержками; при высокой податливости нелинейных материалов возникают проблемы с моделированием, созданием силы и контролем, что приводит к неточным движениям. Тем не менее, обещание мягких роботов мотивировало зарождающуюся область на стыке материалов, механики и электротехники, а также биологии, направленную на воплощение основных технологий робототехники в композитах, таких же мягких, как кожа.

Носимые роботы следующего поколения будут использовать мягкие материалы, такие как текстиль и эластомеры, чтобы обеспечить более конформное, ненавязчивое и послушное средство взаимодействия с человеческим телом. Эти роботы увеличат возможности здоровых людей за счет повышения эффективности ходьбы или увеличения силы захвата. Кроме того, носимые роботы могут помочь пациентам, страдающим физическими или неврологическими расстройствами. В отличие от традиционных экзоскелетов, которые содержат жесткие элементы каркаса, эти мягкие системы будут носить как одежду, соответствовать естественным движениям тела и при этом применять значительные силы и крутящие моменты, когда это необходимо.

Еще одна возможность для биомедицинских роботов - это сокращение физических масштабов. Одна сторона этого мы упомянули в манипулировании тонкими структурами и тканями. Однако микроманипуляция не обязательно выполняется маленькими роботами; действительно, многие системы микроманипуляции имеют существенную инфраструктуру. В качестве альтернативы, если характерный размер системы или, по крайней мере, конечного эффектора уменьшается, новые малоинвазивные процедуры становятся жизнеспособными. Для того чтобы хирургические микророботы стали реальностью, необходимо разработать новые микро - и мезомасштабные производственные парадигмы с акцентом на биосовместимость и монолитную интеграцию электрических и механических компонентов. 

Одно недавнее решение, названное “pop-up book MEMS” (3), сочетает микрообработку с методами 3D-сборки, заимствованными из детских книг, для создания сложных конструкций и электромеханических механизмов без необходимости более традиционной сборки “гайки и болты”. Но путь к коммерциализации этих исследовательских примеров долог, особенно учитывая необходимость одобрения регулирующих органов. Тем не менее, первые шаги уже существуют в виде капсульной эндоскопии — “Пилюльной камеры”, которая пассивно пересекает желудочно—кишечный тракт в диагностических процедурах и управляемых микророботов для внутриглазной доставки лекарств и связанных с ними процедур.

Учитывая перспективность роботизированного здравоохранения, неудивительно, что в академических кругах и индустрии медицинского оборудования наблюдается огромный толчок к разработке роботов, которые были бы меньше, мягче и безопаснее для использования в клинических условиях. Возможно, скоро наши диагностические процедуры будут состоять из питья или инъекции микророботов, а физиотерапия будет не более навязчивой, чем надевание пары штанов или носков.