Ce mini-robot peut se déplacer, couper des tissus, libérer des médicaments, saisir et stocker des échantillons et générer de la chaleur sans fil.
Des scientifiques de l’Université technologique de Nanyang, à Singapour (NTU Singapour), ont mis au point un minuscule robot de la taille d’une graine capable de se déplacer sur des surfaces molles et irrégulières pour effectuer cinq fonctions chirurgicales sans fil, ouvrant la voie au développement de robots pour rendre les interventions chirurgicales et les traitements médicaux plus précis.
Ce robot miniature, mesurant seulement 4,4 mm de long et contrôlé par de faibles champs magnétiques, peut se déplacer, découper des tissus biologiques, libérer des médicaments, saisir et conserver des échantillons de tissus, ou encore générer de la chaleur à distance. Le passage d’une fonction à l’autre s’effectue en moins d’une seconde.
Menés par le professeur associé Lum Guo Zhan de l’École de génie mécanique et aérospatial (MAE) de l’Université technologique de Nanyang (NTU) , les travaux ont récemment été publiés dans la revue académique Advanced Materials .
En utilisant des bobines magnétiques en laboratoire pour contrôler le robot à distance, l’équipe a pu lui faire déployer différents outils et exécuter différentes fonctions, comme activer une minuscule lame pour couper des tissus ou émettre de la chaleur sur une zone ciblée, ce qui pourrait être pertinent pour les approches étudiées qui utilisent la chaleur pour le traitement du cancer.
« La plupart des robots magnétiques de ce type ne peuvent effectuer qu’une ou deux fonctions. Notre dernière invention peut désormais en réaliser cinq, et notre objectif à long terme est que les médecins utilisent ces mini-robots à l’intérieur du corps, les guident vers un emplacement précis et les utilisent pour réaliser des traitements », a déclaré le professeur associé Lum, pionnier dans le domaine des robots miniatures fabriqués à partir de matériaux souples et flexibles.
Des mini-robots sont étudiés dans le monde entier comme moyen possible de rendre les interventions chirurgicales et médicales mini-invasives plus sûres, moins douloureuses et plus précises. De tels dispositifs pourraient un jour permettre aux médecins de réaliser des interventions chirurgicales ciblées en profondeur dans le corps, sans grandes incisions ni instruments chirurgicaux encombrants.
Surmonter un défi majeur en robotique
Pour intégrer de multiples fonctions dans un robot de seulement quelques millimètres de long, l’équipe de l’Université technologique de Nanyang (NTU) a développé un dispositif de contrôle des mouvements activé par des champs magnétiques et reprogrammable en moins d’une seconde.
Le robot est fabriqué à partir de matériaux magnétiques souples, notamment le PDMS et l’Ecoflex, qui sont des matériaux à base de silicone couramment utilisés en robotique souple car ils sont flexibles et peuvent être façonnés en petites structures.
Ces matériaux intègrent des microparticules magnétiques de 5 micromètres chacune, permettant à différentes parties du robot de réagir aux champs magnétiques.
Au centre du dispositif se trouve un module magnétique qui peut être magnétisé, démagnétisé et remagnétisé dans différentes directions.
Chaque orientation magnétique active une fonction différente du robot, permettant ainsi à un même robot mobile d’effectuer cinq fonctions différentes, notamment la découpe et la préhension de tissus.
Les chercheurs ont également conçu différentes régions du robot afin de s’assurer qu’une seule partie, et non le reste, réagisse au même champ magnétique.
Cela signifie que seule une partie du robot réagit à un champ magnétique pour changer de forme et activer un outil ou une fonction, tandis que les autres parties restent immobiles et inchangées dans leur forme actuelle, ce qui résout une limitation majeure des robots magnétiques miniatures.
À petite échelle, les champs magnétiques affectent souvent l’ensemble du dispositif simultanément, le faisant se comporter comme un seul aimant, toutes les parties réagissant à un champ magnétique, ce qui limite la précision avec laquelle il peut déplacer ou activer différents outils.
La plupart des robots magnétiques miniatures sont également limités à cinq degrés de liberté. Ils ne peuvent se déplacer que sur trois axes et pivoter dans deux directions.
Le robot de l’Université technologique de Nanyang (NTU) dispose d’un sixième mouvement, le roulement, qui lui permet de pivoter autour de son axe longitudinal. Ceci lui confère un contrôle plus précis de son positionnement, essentiel pour naviguer dans des espaces étroits, mous et irréguliers, comme à l’intérieur du corps.
Contrairement aux mini-robots visqueux, le robot NTU possède un corps solide mais flexible, ce qui le rend plus robuste et plus facile à récupérer après utilisation.
Testé sur des tissus biologiques
L’équipe de l’Université technologique de Nanyang (NTU) a testé les fonctions chirurgicales du robot à l’aide de modèles de tissus biologiques, notamment du foie de poulet, ainsi que de matériaux à base de gélatine simulant les tissus mous.
Lors de tests en laboratoire, le robot a découpé des tissus biologiques, distribué des particules simulant des particules médicamenteuses, saisi et stocké des échantillons de tissus et généré une chaleur localisée après avoir été induit par des champs magnétiques.
Pour produire de la chaleur, les chercheurs ont exposé le robot à un champ magnétique alternatif à haute fréquence. Ce champ a permis aux matériaux magnétiques contenus dans l’appareil de générer de la chaleur à distance, une approche comparable aux méthodes d’hyperthermie magnétique actuellement étudiées dans le traitement du cancer.
L’équipe a également évalué la biocompatibilité des matériaux du robot en les exposant à des cellules de peau humaine dans des conditions de laboratoire.
Plus de 99 % des cellules sont restées viables après exposition aux matériaux du robot, un résultat similaire à celui du groupe témoin, ce qui suggère que les matériaux étaient en grande partie non toxiques dans les conditions expérimentales.
L’équipe – comprenant les anciennes élèves du département d’ingénierie aérospatiale de l’université technologique de Nanyang (NTU), le Dr Chelsea Shan Xian Ng et Mme Yu Xuan Yeoh, ainsi que l’actuel doctorant Nicholas Yong Wei Foo, co-auteurs de la recherche – explore actuellement comment les versions futures pourraient être combinées avec des technologies d’imagerie, des systèmes de détection et des modèles d’organes artificiels cliniquement réalistes qui imitent mieux le comportement physique des tissus humains.
Le professeur associé Lum travaille également avec des chirurgiens pour comprendre comment les mini-systèmes robotiques pourraient à terme s’intégrer dans les flux de travail cliniques réels.
« Pour que ces robots se rapprochent d’une utilisation pratique, nous devons comprendre non seulement comment ils fonctionnent en laboratoire, mais aussi comment ils pourraient être guidés, surveillés et contrôlés dans des environnements médicaux réalistes », a-t-il ajouté.
Le Dr Yeo Leong Litt Leonard, consultant senior au service de neurologie de l’hôpital universitaire national, a déclaré en toute indépendance : « Ces robots à guidage magnétique de taille millimétrique sont véritablement remarquables par leur capacité à se déplacer dans des environnements complexes et à réaliser diverses tâches, comme l’administration de médicaments, la réalisation de biopsies et l’administration de chaleur thérapeutique à distance. J’imagine qu’ils pourraient potentiellement remplacer de nombreux aspects de la chirurgie radiologique interventionnelle et devenir une nouvelle approche thérapeutique en médecine. »
https://www.ntu.edu.sg/news/detail/a–5-in-1–seed-sized-surgical-robot
https://www.ntu.edu.sg/engineering/news-and-events/news/detail/robot-surgery
