Miniatur-Robotergelenke für die Chirurgie der Zukunft
Mikroroboter könnten einen wichtigen Platz in unseren zukünftigen Gesundheitsversorgungssystemen einnehmen. Die Robotik hat bereits einen Weg zu minimalinvasiven Eingriffen wie etwa der Entfernung eines Hirntumors durch ein kleines Loch im Kopf eröffnet. Der Erfolg dieser Art der Chirurgie hängt von der Bewegung, der Stabilität und dem Steuerungssystem der Robotergelenke ab. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts UWIPOM2 haben Forschende daran gearbeitet, diese Technologie bis in den Mikrometerbereich schrumpfen zu lassen sowie mikrorobotische Miniaturgelenke für die Chirurgie und andere medizinische Interventionen zu entwickeln. „UWIPOM2 wird das Schlüsselelement für die Grundlage der Mikrorobotiktechnologie für Gesundheitsanwendungen, aber auch für weitere Bereiche wie Nanosatelliten, Sicherheit, Mechatronik oder Mikroelektronik sein“, erklärt Efrén Díez Jiménez, Professor für Maschinenbau an der Universität Alcalá in Spanien und UWIPOM2-Projektkoordinator. „Heutzutage gibt es Technologien für die Mikrosensorik, die Mikrokommunikation und sogar für die Mikroskopie, aber die letzte Komponente, die ein komplettes Feld der Mikrorobotik eröffnen kann, werden die mikrorobotischen Gelenke von UWIPOM2 sein“, fügt Díez Jiménez hinzu.
Ein drahtlos betriebenes mikrorobotisches Gelenk
Die neue Technologie von UWIPOM2 funktioniert wie ein makroskopisches Robotergelenk mit einem Motor und einem Getriebekopf, und beinhaltet Magneten und ein Elektrojoch zur Erzeugung von Magnetismus. Das gesamte System wird durch elektromagnetische Wellen angetrieben, was jedem aktivierten Instrument oder Mikroroboter völlige Autonomie verleiht. „Das Robotergelenk an sich ist neu, und alle Einzelkomponenten stellen einen bedeutenden Schritt über den Stand der Technik hinaus dar“, teilt Díez Jiménez mit. „Vor diesem Projekt war niemand in der Lage, derart kleine Teile herzustellen, und natürlich konnte auch niemand versuchen, sie zusammenzubauen.“ Der UWIPOM2-Mikromotor bietet eine ähnliche Drehmomentdichte wie makroskopische Motoren und ist der dünnste Motor aller Zeiten, was bedeutet, dass er zum Einsatz bei minimalinvasiven chirurgischen Eingriffen in ultradünne Katheter integriert werden kann. Der Motor erwies sich mit einer Lebensdauer von mehr als 70 Betriebsstunden bei niedriger Drehzahl als langlebig. Er ist in der Lage, Massen zu bewegen, die sogar sein eigenes Gewicht übersteigen, sich mit sehr hohen Geschwindigkeiten zu drehen (27 000 Umdrehungen pro Minute) sowie die interne Wärme effizient zu speichern und abzuleiten. „Mit den UWIPOM2-Mikroaktoren und -Mikromotoren wird es möglich sein, steuerbare Katheter, ultragenaue Laserablationssysteme, IVUS-Systeme und Abrasionssysteme sowie andere mögliche medizinische Anwendungen zu konzipieren“, so Díez Jiménez.
Die Vorrichtung im Test
Im Rahmen des Projekts UWIPOM2 entwickelte, fertigte und erprobte das Team mikrometerkleine Aktoren und Motoren, die in flüssigen bzw. fließenden Umgebungen, wie sie im Körperinneren vorkommen, arbeiten können. „Wichtig ist hervorzuheben, dass jede der Entwicklungen, die notwendig waren, um dieses Endziel zu erreichen, eine große technische Herausforderung darstellte“, sagt Díez Jiménez. Wenn diese Technologie weiterentwickelt und eines Tages in die Gesundheitsversorgungssysteme eingeführt wird, werden der Chirurgie weitaus präzisere Instrumente zur Verfügung stehen und die Menschen bei heiklen Eingriffen nicht mehr so sehr auf ihre manuelle Geschicklichkeit angewiesen sein. „Damit könnten sogar hochpräzise Eingriffe möglich werden, die aus der Ferne durchgeführt werden könnten, ohne dass eine spezialisierte chirurgische Fachkraft im Operationssaal anwesend sein muss“, bemerkt Díez Jiménez. „Zudem wird es durch mobilere Instrumente möglich werden, an schwer zugänglichen Orten, für die es gegenwärtig keine Lösung gibt, einzugreifen und Operationen durchzuführen.“
Schlüsselbegriffe
UWIPOM2, Roboter, Gelenk, Chirurgie, Operationen, drahtlos, Aktoren
