I ricercatori del German Cancer Research Center (DKFZ) hanno sviluppato una nuova tecnologia utilizzando miniature di robot, noti come TrainBots, per superare le limitazioni della chirurgia endoscopica microscopica. Questi robot, progettati su scala millimetrica, vengono combinati in un’unica unità e dotati di speciali “piedi” per migliorare la trazione e la capacità di trasportare strumenti chirurgici all’interno del corpo.

Unità di TrainBots: forza e controllo migliorati

Uno dei problemi principali nella chirurgia endoscopica è la difficoltà per i robot di piccole dimensioni di trasportare strumenti pesanti o muoversi su superfici coperte di muco, causando perdita di trazione. Il team del DKFZ ha risolto questi problemi unendo più TrainBots in un’unica unità e dotandoli di “piedi” con “spikes”, che aumentano la forza propulsiva di tre volte rispetto ai modelli precedenti. Questi robot sono controllati a distanza tramite un campo magnetico rotante, che gestisce simultaneamente le unità multiple, consentendo movimenti accurati su superfici interne al corpo umano.

Simulazione di una microsurgia nel Dotto Biliare

I ricercatori hanno utilizzato il convoglio di TrainBot per simulare una procedura chirurgica su un dotto biliare. In casi di tumore del dotto biliare, il dotto può bloccarsi, causando pericolosi accumuli di bile. La diagnosi endoscopica richiede l’inserimento di un endoscopio flessibile attraverso la bocca fino all’intestino tenue e quindi nel dotto biliare. La curva stretta tra l’intestino e il dotto rappresenta un ostacolo per la navigazione dell’endoscopio, che il convoglio di TrainBot può affrontare con agilità.

Durante il test, i ricercatori hanno dimostrato come il convoglio fosse in grado di trasportare un elettrodo a filo per l’ablazione elettrica del tessuto occluso nel dotto biliare, utilizzando una procedura nota come elettrocauterizzazione. L’elettrodo era lungo 25 cm e pesava tre volte e mezzo più di una singola unità TrainBot. Una volta posizionato, una tensione elettrica viene applicata all’elettrodo per rimuovere il blocco tissutale. Dopo il successo di questa procedura, il team prevede di sviluppare i TrainBots per altri compiti chirurgici, come il posizionamento di cateteri per drenaggio o la somministrazione mirata di farmaci.

Implicazioni per la chirurgia minimamente invasiva

I risultati ottenuti dal team del DKFZ, guidato dal Dr. Tian Qiu, hanno dimostrato che la tecnologia dei TrainBots potrebbe migliorare significativamente la capacità di effettuare interventi chirurgici minimamente invasivi, fornendo flessibilità e precisione nei movimenti. I successi ottenuti nei modelli organici con questi mini-robot aprono nuove possibilità per futuri sviluppi in campo medico, soprattutto nell’endoscopia.

Il lavoro scientifico alla base di questa innovazione è stato pubblicato da Moonkwang Jeong, Xiangzhou Tan, Felix Fischer, e Tian Qiu nell’articolo “A Convoy of Magnetic Millirobots Transports Endoscopic Instruments for Minimally-Invasive Surgery” pubblicato su Advanced Science nel 2024.

Il DKFZ: innovazione nella Ricerca sul Cancro

Il DKFZ è il più grande istituto di ricerca biomedica in Germania, con oltre 3.000 dipendenti. L’istituto si concentra sull’identificazione dei fattori di rischio del cancro, sulla comprensione della progressione della malattia, e sullo sviluppo di strategie di prevenzione e trattamenti innovativi. Il DKFZ collabora con istituzioni di ricerca e ospedali universitari in tutta la Germania per portare le scoperte dalla ricerca al trattamento clinico dei pazienti oncologici.

I sistemi di realtà aumentata (AR), come quelli presenti in visori ingombranti e display head-up nelle automobili, richiedono componenti ottici portatili. Tuttavia, ridurre i classici sistemi AR a quattro lenti alle dimensioni di un paio di occhiali spesso compromette la qualità dell’immagine generata al computer e ne limita il campo visivo. Youguang Ma e il suo team potrebbero aver trovato una soluzione per comprimere questa tecnologia: una combinazione di due tecnologie ottiche, una metasuperficie e una lente refrattiva, insieme a uno schermo microLED per creare un design compatto a lente singola.

La metasuperficie del display è costituita da un film ultrasottile e leggero in nitruro di silicio, inciso con un motivo che modella e mette a fuoco la luce emessa dai microLED verdi. Su una lente refrattiva in polimero sintetico si forma quindi un’immagine in bianco e verde, che affina e riduce le aberrazioni della luce proiettata. L’immagine finale viene proiettata dal sistema e sovrapposta a un oggetto o a uno schermo. Per migliorare ulteriormente la risoluzione dell’immagine proiettata, Ma e il suo team hanno utilizzato algoritmi informatici per identificare le minime imperfezioni del sistema ottico e correggerle prima che la luce lasci lo schermo microLED.

Test del prototipo e miglioramenti delle immagini

Il team ha integrato il display AR ibrido in un paio di occhiali e ha testato le prestazioni del prototipo utilizzando algoritmi di elaborazione delle immagini. Le immagini proiettate dal sistema a lente singola presentavano meno del 2% di distorsione su un campo visivo di 30 gradi, offrendo una qualità d’immagine paragonabile alle attuali piattaforme AR commerciali a quattro lenti. Gli algoritmi informatici di pre-elaborazione hanno permesso inoltre di migliorare la qualità dell’immagine proiettata: la riproduzione AR di una foto di un panda rosso è risultata essere simile all’originale per il 74,3%, un miglioramento del 4% rispetto all’immagine proiettata senza correzioni.

Con ulteriori sviluppi, i ricercatori affermano che la piattaforma potrebbe espandersi dal verde a colori completi, aprendo la strada a una nuova generazione di occhiali AR mainstream.

Un team di ricercatori del Max Planck Institute for Intelligent Systems ha sviluppato moduli robotici esagonali, noti come HEXEL, che possono assemblarsi rapidamente per creare robot riconfigurabili ad alta velocità. Questi moduli, dotati di muscoli artificiali integrati in un esoscheletro rigido, sono in grado di collegarsi meccanicamente ed elettricamente ad altri moduli grazie a magneti incorporati, consentendo ai robot di assumere diverse forme e capacità.

Il design flessibile e riutilizzabile dei moduli permette di creare robot adatti a molteplici applicazioni, come missioni spaziali o di soccorso, in ambienti dove le risorse sono limitate. L’uso dei HEXEL garantisce una progettazione sostenibile, riducendo la necessità di costruire robot specializzati per ogni scopo.

Composizione e funzionamento dei Moduli HEXEL

Ogni modulo è costituito da sei piastre rigide in fibra di vetro che formano l’esoscheletro, mentre le articolazioni interne sono attivate da muscoli artificiali HASEL, che rispondono a tensioni elevate. I moduli possono cambiare rapidamente forma, adattandosi alle esigenze di movimento del robot. In combinazione, i moduli possono essere utilizzati per creare nuove geometrie di robot e riconfigurarsi in base ai compiti da svolgere.

In un video dimostrativo, il team ha mostrato come i moduli esagonali possano strisciare attraverso spazi ristretti, saltare in aria e formare robot capaci di rotolare rapidamente su terreni difficili. La ricerca sottolinea il potenziale di creare sistemi robotici modulari che possono essere modificati su richiesta, aumentando la versatilità rispetto ai sistemi specializzati.