Robot nhỏ bằng hạt giống mở ra triển vọng mới cho phẫu thuật ít xâm lấn
Các nhà khoa học Singapore phát triển một robot nhỏ bằng hạt giống có 5 chức năng khác nhau, mở ra hướng đi mới trong phẫu thuật ít xâm lấn.
Các nhà khoa học tại Đại học Công nghệ Nanyang, Singapore (NTU Singapore) vừa phát triển một robot siêu nhỏ bằng hạt giống, có thể thực hiện 5 chức năng phẫu thuật dưới sự điều khiển không dây.
Robot này có chiều dài khoảng 4,4 mm và hoạt động nhờ từ trường yếu. Trong thử nghiệm, nhóm nghiên cứu đã điều khiển robot di chuyển trên các bề mặt mềm và không bằng phẳng.
Tùy mục tiêu can thiệp, robot có thể cắt mô sinh học, giải phóng thuốc, kẹp và lưu giữ mẫu mô, đồng thời tạo nhiệt từ xa. Quá trình chuyển đổi giữa các chức năng diễn ra trong chưa đầy một giây.
Nhóm nghiên cứu do Phó giáo sư Lum Guo Zhan, Trường Cơ khí và Kỹ thuật Hàng không Vũ trụ thuộc NTU, dẫn dắt. Công trình được công bố trên tạp chí khoa học Advanced Materials.
Robot nhỏ bằng hạt giống '5 in 1', có khả năng chuyển đổi chức năng trong chưa đầy 1 giây
Trong phòng thí nghiệm, nhóm nghiên cứu sử dụng các cuộn dây từ để điều khiển robot từ xa. Nhờ cơ chế này, họ có thể kích hoạt từng chức năng của robot tùy theo vị trí cần can thiệp, chẳng hạn như dùng lưỡi dao siêu nhỏ để cắt mô hoặc tạo nhiệt tại một vùng cụ thể.
Theo Phó giáo sư Lum Guo Zhan, phần lớn robot từ tính siêu nhỏ hiện nay chỉ thực hiện được một hoặc hai chức năng. Trong khi đó, thiết kế mới của nhóm NTU có thể đảm nhiệm 5 chức năng khác nhau trên cùng một thiết bị.
Điều này mở ra hướng phát triển các robot mini phục vụ điều trị bên trong cơ thể trong tương lai. Về lâu dài, nhóm nghiên cứu kỳ vọng bác sĩ có thể đưa những robot nhỏ này đến đúng vị trí cần can thiệp, sau đó điều khiển chúng thực hiện các thao tác điều trị chính xác hơn.
Hiện nay, nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới cũng đang phát triển robot siêu nhỏ cho các thủ thuật ít xâm lấn. Về lý thuyết, những thiết bị này có thể giúp bác sĩ tiếp cận các vùng sâu trong cơ thể mà không cần tạo vết mổ lớn hoặc sử dụng dụng cụ phẫu thuật cồng kềnh.
Giải bài toán lớn khi điều khiển robot từ tính siêu nhỏ
Với những robot có kích thước chỉ vài milimet, việc điều khiển bằng từ trường vẫn là một thách thức lớn. Khi chịu tác động của từ trường, toàn bộ thiết bị có xu hướng phản ứng cùng lúc như một khối nam châm duy nhất.
Điều này khiến các nhà nghiên cứu khó điều khiển từng bộ phận riêng lẻ, đồng thời hạn chế khả năng kích hoạt nhiều chức năng trên cùng một robot.
Để khắc phục vấn đề này, các nhà khoa học NTU đã thiết kế robot theo từng vùng chức năng riêng. Cụ thể, họ đưa các vi hạt từ tính vào vật liệu và điều chỉnh cách từng phần của robot phản ứng với từ trường.
Điểm đặc biệt nằm ở chỗ robot không phản ứng toàn bộ cùng lúc. Khi nhóm nghiên cứu tạo một từ trường nhất định, chỉ một phần được thiết kế sẵn thay đổi hình dạng để kích hoạt chức năng tương ứng, trong khi các phần còn lại vẫn giữ nguyên trạng thái.
Nhờ thiết kế này, cùng một robot siêu nhỏ có thể đảm nhiệm nhiều thao tác khác nhau như cắt mô, kẹp mô, giải phóng thuốc hoặc tạo nhiệt. Cơ chế này cũng giúp robot kiểm soát chức năng chính xác hơn so với nhiều robot từ tính mini trước đây.
Chuyển động lăn giúp robot siêu nhỏ linh hoạt hơn trong không gian hẹp
Một điểm khác biệt của robot NTU là nằm ở khả năng di chuyển. Hầu hết robot từ tính siêu nhỏ hiện nay chỉ có thể di chuyển theo 5 hướng chính. Chúng có thể tiến, lùi, sang trái, sang phải, lên xuống và xoay theo một số hướng nhất định.
Tuy nhiên, khả năng định vị của chúng vẫn còn hạn chế khi đi qua những không gian hẹp, mềm hoặc có bề mặt không bằng phẳng.
Robot của NTU bổ sung thêm một chuyển động mới là lăn quanh trục dài của chính nó. Nhờ chuyển động này, robot có thể điều chỉnh tư thế linh hoạt hơn khi di chuyển trong những môi trường phức tạp, tương tự các không gian bên trong cơ thể.
Khác với một số robot mini dạng chất nhầy (magnetic slime robot), robot của NTU có thân rắn nhưng vẫn mềm dẻo. Thiết kế này giúp thiết bị bền hơn, giữ được cấu trúc tốt hơn và có thể dễ thu hồi hơn sau khi sử dụng.
Robot đã được thử nghiệm trên mô sinh học
Các nhà nghiên cứu tại NTU đã thử nghiệm các chức năng của robot trên mô sinh học, trong đó có gan gà, cùng các vật liệu gelatin mô phỏng mô mềm.
Trong phòng thí nghiệm, robot có thể cắt mô sinh học, phân phối các hạt mô phỏng thuốc, kẹp và lưu giữ mẫu mô. Thiết bị cũng tạo được nhiệt cục bộ khi nhóm nghiên cứu kích hoạt bằng từ trường.
Để tạo nhiệt, nhóm nghiên cứu đặt robot trong một từ trường xoay chiều tần số cao. Khi đó, các vật liệu từ tính bên trong robot sinh nhiệt từ xa. Cách tiếp cận này có liên quan đến phương pháp tăng thân nhiệt từ tính, một hướng đang được nghiên cứu trong điều trị ung thư.
Bên cạnh thử nghiệm chức năng, các nhà khoa học cũng đánh giá khả năng tương thích sinh học của vật liệu. Họ cho vật liệu của robot tiếp xúc với tế bào da người trong điều kiện phòng thí nghiệm. Kết quả cho thấy hơn 99% tế bào vẫn sống sau khi tiếp xúc, tương tự nhóm đối chứng. Điều này cho thấy vật liệu có độc tính thấp trong điều kiện thử nghiệm.
Tuy vậy, robot này vẫn chưa được thử nghiệm trên người bệnh. Để tiến gần hơn đến ứng dụng thực tế, nhóm nghiên cứu cần tiếp tục thử nghiệm robot trong các mô hình giống cơ thể người hơn, nhằm đánh giá thiết bị trong điều kiện phức tạp và sát thực tế hơn.
Hiện các nhà nghiên cứu đang tìm cách kết hợp những phiên bản robot trong tương lai với công nghệ hình ảnh, hệ thống cảm biến và các mô hình cơ quan nhân tạo gần với thực tế lâm sàng hơn.
Phó giáo sư Lum Guo Zhan cũng làm việc với các bác sĩ phẫu thuật để tìm hiểu cách đưa robot mini vào quy trình điều trị thực tế.
Theo ông, để công nghệ này tiến gần hơn đến ứng dụng, các nhà khoa học không chỉ cần chứng minh robot hoạt động hiệu quả trong phòng thí nghiệm. Họ còn phải xác định cách hướng dẫn, theo dõi và kiểm soát robot trong môi trường y tế thực tế.
