Wie faserbasierte Softroboter medizinische Katheter ersetzen können
Ein weicher Roboter aus Fasern soll als Katheterersatz teilautonom seinen Weg durch den menschlichen Körper zum Ziel finden.
Der Roboter kann auch starke Biegungen meistern (hier in einem Modell).
(Bild: EPFL)
Ein Team aus Wissenschaftlern der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) und des Imperial College London haben einen Softroboter entwickelt, der in der kathetergestützten Chirurgie eingesetzt werden und ferngesteuert oder halbautomatisch seinen Weg zum Ziel finden kann. Dabei setzten die Forscher bei der Materialentwicklung für den Roboter auf Verfahren, die bei der Glasfaserherstellung angewendet werden.
Moderne Katheter, die in der minimalinvasiven Chirurgie etwa zum Einsetzen von Stents zum Offenhalten von Blutgefäßen, zur Tumorbehandlung und Entnahme von Gewebeproben eingesetzt werden, sind bereits heute roboterartige Geräte. Allerdings müssen sie häufig noch manuell an Ort und Stelle geschoben werden. Das ist mitunter ein zeitaufwendiges Verfahren, das das Wissenschaftsteam mit dem von ihnen entwickelten Roboter beschleunigen will.
In ihrem in Advanced Science veröffentlichten wissenschaftlichen Artikel "Highly Integrated Multi-Material Fibers for Soft Robotics" beschreiben sie das Verfahren, wie in einer kathederförmigen Hülle aus faserbasiertem Elastomer multifunktionale Roboterelemente untergebracht sein können.
Faserartiger Roboter
Im Mittelpunkt der Forschungsarbeit stand zunächst die Entwicklung eines geeigneten Materials für den Körper des Roboters. Um als Katheter zu funktionieren, muss er flexibel und weich sein, um Verletzungen des Körpergewebes zu vermeiden. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler griffen auf ein thermisches Ziehverfahren zurück, das bei der Glasfaserherstellung eingesetzt wird. Sie nutzten dazu elastische Polymere, die nach einer Dehnung zu ihrer ursprünglichen Form zurückkehren. Das Material wird bei der Verarbeitung unter Erwärmung in lange Stränge gezogen, die dann aushärten.
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"In der Vergangenheit war das thermische Ziehen auf harte Materialien beschränkt. Glücklicherweise hat unsere Gruppe eine Klasse von thermoplastischen Elastomeren identifiziert, die gezogen werden können und ihre elastomeren Eigenschaften nach dem Ziehen beibehalten", erklärt Andreas Leber, Erstautor der Studie, das Problem, das das Team zu lösen hatte.
Herausgekommen sind dabei einzelne Fasern, die jeweils mehrere Kanäle im Mikrometerbereich enthalten können. Durch die Kanäle können Sehnen gezogen werden, um den Roboter manuell oder elektromotorisch ansteuern zu können. Das ermöglicht es ihm, im Körper auch über komplexe Biegungen zum Ziel zu navigieren.
"Zusätzlich zu den Sehnen können in die Fasern Lichtleiter, Elektroden und Mikrokanäle integriert werden, die die Verabreichung von Medikamenten, Bildgebung, die elektrische Aufzeichnung und Stimulation sowie andere in der Robotik und in medizinischen Anwendungen gebräuchliche Instrumente ermöglichen", sagt Leber.
Teilautomatische Navigation im Körper
Der faserförmige Aufbau der Roboter und die Integration zusätzlicher Komponenten lässt auch eine teilautomatische Navigation im Körper zu. "Die integrierten Lichtleiter geben den Fasern einen Sehsinn. Sie können Hindernisse in ihrer Bewegungsbahn erkennen und umgehen und sogar gezielt Objekte, wie zum Beispiel Hohlräume, selbstständig finden", sagt Leber. Das Team hat dazu einen passenden Steuerungsalgorithmus für den Roboter entwickelt.
(olb)