Roboty medyczne z drukarki

Prototyp robota medycznego wydrukowany na drukarce 3D. (Źródło: Photothèque ICube / A. Morlot) / Prototype of the medical robot generated by 3D printer. (© Photothèque ICube / A. Morlot)

3D-gedruckte Kolben des hydraulischen Antriebs. (Quelle: Marius Siegfarth) / 3D-gedruckte tłoki do mechanizmu napędu hydraulicznego. (© Fraunhofer IPA / Marius Siegfarth )

Na przyszłość w terapii nowotworów pięć międzynarodowych zespołów badawczych opracowuje robota. Chociaż składa się on z dziesiątek komponentów, zawiasów i aktuatorów o różnych właściwościach materiałowych, można go wyprodukować jednym procesem za pomocą drukarki 3D.

Wystarczy jedno naciśnięcie przycisku, resztę wykona drukarka 3D automatycznie. Podobnie jak w drukarce atramentowej, ciecz jest rozpylana na powierzchnię. Zamiast różnych kolorów, drukarka PolyJet używa plastiku: dysze mogą pojedynczo lub mieszając nakładać dwie różne roztwory polimerowe punktowo. Światło UV utwardza tworzywa sztuczne, zanim zostanie nałożona kolejna warstwa. W ten sposób powstaje warstwa po warstwie robot medyczny. Gdy rozwój zostanie zakończony, robot ma wspierać lekarzy przy pobieraniu próbek tkanek oraz w termicznej terapii nowotworów.

„Pozycjonowanie igły lub sondy podczas takiego minimalnie inwazyjnego zabiegu jest szczególnie trudnym zadaniem, ponieważ lekarz najlepiej orientuje się na podstawie obrazów tomografii komputerowej lub MRI – co oznacza, że musi pracować podczas, gdy pacjent leży w wąskiej rurze. Znikają wtedy niemal możliwości poruszania się”, wyjaśnia Marius Siegfarth z grupy projektowej ds. automatyzacji w medycynie i biotechnologii (PAMB) Fraunhofer IPA na Wydziale Medycznym Uniwersytetu w Heidelbergu w Mannheim.

Robot, który jego zespół opracował wraz z czterema innymi grupami badawczymi z Niemiec, Francji i Szwajcarii w projekcie SPIRITS, jest tak mały i lekki, że można go wsunąć razem z pacjentem do rury. Steruje się nim za pomocą hydrauliki z zewnątrz – lekarz może więc siedzieć kilka metrów dalej, nawet w innym pomieszczeniu, gdzie jest chroniony przed promieniowaniem podczas tomografii komputerowej. Skrót SPIRITS oznacza „Smart Printed Interactive Robots for Interventional Therapy and Surgery”.

„Wyzwanie projektu polegało na opracowaniu takiego projektu, który można wyprodukować jednym krokiem za pomocą drukarki PolyJet, a jednocześnie składa się z w pełni funkcjonalnych komponentów – na przykład obrotowych zawiasów z hydrauliką i napędu do posuwu igły. Wszystkie te elementy mają różne właściwości materiałowe”, wyjaśnia Siegfarth.

W Instytucie nauk stosowanych w Strasburgu, INSA, gdzie koordynowany jest projekt SPIRITS, drukarka PolyJet już drukuje pierwsze prototypy. Posiadają one dźwignie połączone zawiasami. Dzięki nim można obracać igłę wokół punktu wkłucia we wszystkich kierunkach przestrzeni. Napęd zapewnia system hydrauliczny, opracowany przez badaczy PAMB: małe rury o średnicy zaledwie 4 milimetrów, uszczelki i tłoki. Co jest wyjątkowe: tłoki zostały tak zaprojektowane za pomocą technologii druku 3D, aby ciśnienie hydrauliczne działało na uszczelkę i wzmacniało jej działanie.

Pierwsze testy pokazują, że hydrauliczny napęd z drukarki 3D działa poprawnie. W najbliższych miesiącach do prototypu zostaną dodane kolejne komponenty: na przykład inteligentna igła z czujnikiem siły, opracowana przez École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL). Mechanizm posuwu igły opracowali badacze INSA. Do tego dochodzi „dotykowe sprzężenie zwrotne”. Zamienia ono wyniki pomiarów czujnika siły na opory, które odczuwają lekarze, prowadząc igłę przez miękkie lub twardsze tkanki. To sprzężenie zwrotne zostało opracowane przez naukowców z Hochschule Furtwangen. A na Fachhochschule Nordwestschweiz (FHNW) powstają obecnie drukowalne, niemagnetyczne komponenty metalowe dla następnej generacji prototypów.

Pierwszy w pełni wydrukowany robot medyczny ma zostać przetestowany jeszcze w 2019 roku na manekinach.

Projekt SPIRITS, z budżetem 1,67 mln euro, jest współfinansowany przez program INTERREG V Oberrhein kwotą 436 201 euro z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego (EFRR). W ramach inicjatywy „Offensive Sciences”, która finansuje przekraczające granice projekty badawcze, projekt ten jest dodatkowo wspierany przez partnerów regionalnych i kantonalnych. Projekt jest współfinansowany przez Wielki Region Wschodni, Baden-Wurttemberg, Nadrenię-Palatynat, Konfederację Szwajcarską, Kanton Aargau, Kanton Basel-Stadt i Kanton Basel-Landschaft.