Un robot ingérable imprimé en 3D pourrait réaliser des interventions gastro-intestinales.
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Les récents progrès technologiques ont ouvert de nouvelles perspectives pour le développement de dispositifs médicaux de pointe, notamment des robots miniatures capables de se déplacer en toute sécurité à l'intérieur du corps humain. Certains de ces systèmes pourraient contribuer à simplifier des interventions médicales complexes, telles que des chirurgies délicates et l'administration ciblée de médicaments à des sites précis.
Le laboratoire MINIMAX de l'Université du Texas à Austin est spécialisé dans le développement de robots miniatures destinés aux domaines médical, environnemental et autres. Dans un article en prépublication récemment disponible sur arXiv , des chercheurs de ce laboratoire ont présenté un nouveau robot-capsule imprimable en 3D et orientable magnétiquement, qui pourrait potentiellement contribuer au diagnostic et au traitement de certaines affections gastro-intestinales.
« Ma motivation pour la surveillance de la santé gastro-intestinale est profondément personnelle », a déclaré Fangzhou Xia, directrice du laboratoire MINIMAX à l'Université du Texas à Austin et auteure principale de l'article, à Medical Xpress. « En 2022, alors que j'étais postdoctorante au MIT, j'ai subi un grave épisode médical gastro-intestinal impliquant une obstruction répétée du canal cholédoque due à des calculs biliaires, qui a finalement nécessité une ablation de la vésicule biliaire. »
« Les complications ont été aggravées par une infection concomitante à la COVID-19, entraînant de multiples passages aux urgences et des cholangiopancréatographies rétrogrades endoscopiques (CPRE) répétées. Ces multiples CPRE m’ont fait prendre conscience du caractère invasif des procédures endoscopiques, notamment l’irritation importante de la gorge, l’inconfort et la lourdeur de l’intervention, malgré leur caractère diagnostique et thérapeutique nécessaire. »
Les difficultés rencontrées par Xia après l'ablation de sa vésicule biliaire l'ont finalement incité à développer de nouveaux robots-capsules à usage médical, ingérables par les patients et pilotables grâce à des champs magnétiques. Ces robots pourraient réduire le recours aux endoscopies, permettant aux médecins d'accéder aux zones d'intérêt du tube digestif de manière fiable et moins invasive.
« Suite à cet événement, j’ai entamé une collaboration avec le professeur Giovanni Traverso du MIT, un expert en robotique ingérable, et nous avons commencé à développer une vision par réseau corporel pour les systèmes de détection ingérables et implantables », explique Xia. « Dans ce travail, nous nous sommes concentrés sur la navigation magnétique d’un robot-capsule dans le tube digestif, et plus particulièrement au niveau de l’estomac. »
Un robot de la taille d'une pilule, à guidage magnétique
L'objectif principal des travaux récents de Xia et de ses collègues était d'évaluer les différentes modalités d'actionnement du robot-capsule qu'il a commencé à développer au MIT, ce qui devrait permettre aux robots d'accomplir différentes tâches à l'intérieur du corps humain. Dans leur prépublication arXiv , ils ont exploré l'utilisation d'aimants permanents externes et de matériaux magnétiques doux anisotropes intégrés à la paroi de la capsule, ce qui permettrait de contrôler les angles de roulis et de lacet du robot-capsule.
« Pour le contrôle du roulis et du lacet à l'aide d'aimants permanents externes, nous avons opté pour une enveloppe magnétique autour de la capsule afin d'offrir un espace plus continu aux composants internes », explique Xia. « Afin de garantir un mouvement stable grâce à un bon alignement des aimants externes et internes, nous nous sommes inspirés du réseau de Halbach pour l'agencement des composants magnétiques. Ce réseau concentre le champ magnétique d'un seul côté pour les plateformes à sustentation magnétique. »
Au lieu d'intégrer un aimant permanent encombrant à l'intérieur de la capsule, les chercheurs ont recouvert la coque extérieure de leur robot d'un matériau magnétique doux, la transformant ainsi en un aimant programmable. Plus précisément, ils ont mélangé des particules magnétiques de NdFeB à du silicone souple, puis ont imprimé en 3D la coque de la capsule en contrôlant activement la direction de l'aimantation lors du dépôt.
« Cela a permis de créer un modèle de distribution de champ magnétique NSSN/SNNS optimisé », a déclaré Xia.
« L'anisotropie structurée génère un moment magnétique net puissant et bien défini qui s'aligne naturellement avec un champ magnétique externe rotatif, produisant un mouvement de roulement et de direction stable. La distribution du champ magnétique étant soigneusement conçue pour créer un couple directionnel et un alignement prévisible, la capsule peut rouler dans les deux sens, tourner en douceur et maintenir sa stabilité sur des pentes ou des surfaces texturées sans nécessiter d'algorithmes de contrôle complexes. »
En éliminant le besoin d'aimants internes encombrants, la conception de l'équipe préserve l'intégralité du volume à l'intérieur de la capsule. Ceci libère de l'espace pour d'autres composants pouvant servir à la réalisation de tâches médicales, tels que des caméras, des capteurs, des médicaments ou d'autres substances thérapeutiques.
À peu près au même moment, les chercheurs ont publié un autre article sur arXiv dans lequel ils exploraient un mécanisme d'actionnement magnétique différent pour diriger leur robot. Plus précisément, ils ont étudié la possibilité d'utiliser un ensemble de bobines externes et des aimants permanents intégrés à la capsule pour contrôler l'angle de tangage du robot.
Un aspect important de ces travaux est la modélisation dynamique du système et la fusion des données de capteurs d'unités de mesure inertielles embarquées (mesurant la vitesse angulaire et l'accélération linéaire) avec des images de caméras externes simulant l'imagerie par rayons X grâce au filtre de Kalman étendu. Cette méthode permet de réduire d'un ordre de grandeur la fréquence d'acquisition requise, diminuant ainsi l'exposition du patient aux radiations pendant la navigation. Ces travaux seront ultérieurement intégrés au concept de revêtement souple.
« L’objectif principal de nos récents efforts était d’étudier le contrôle angulaire du roulis, du tangage et du lacet pour la locomotion basée sur la rotation », a déclaré Xia.
« Nous étudions actuellement la translation d'aimants afin de contrôler l'interaction par contact physique avec la paroi interne du tube digestif. La principale différence réside dans le fait que la rotation résulte de l'alignement de la direction du champ magnétique pour générer un couple, tandis que la translation nécessite un fort gradient de champ magnétique pour générer une force. La séparation de ces deux mécanismes à des fins différentes rend cette modalité plus utile pour les applications médicales. »
Avantages et résultats de simulation
Le robot conçu par Xia et ses collègues présente plusieurs avantages notables par rapport aux autres systèmes ingérables développés jusqu'à présent. Notamment, le mouvement de la capsule robotique est extrêmement stable et ses mouvements de roulement résultent d'une configuration de magnétisation optimisée au sein de son enveloppe magnétique douce. Les mouvements produits sont ainsi plus précis que ceux qui se produiraient avec un aimant « classique » (par exemple, un cylindre magnétique creux), dont l'alignement et la direction sous l'effet d'un champ extérieur seraient plus difficiles à prévoir.
« À l'aide de simulations magnétostatiques 3D ANSYS Maxwell, nous avons montré que les distributions de pôles sélectionnées créent une forte anisotropie magnétique et un moment résultant clair (la polarité nette de la capsule est fortement orientée le long de l'axe prévu), de sorte que la capsule se verrouille naturellement en phase avec le champ rotatif et roule en douceur avec un minimum d'oscillation ou de couplage non intentionnel », a déclaré Xia.
« En revanche, un simple aimant cylindrique creux (ou une coque uniformément magnétisée) tend à produire une réponse champ/moment plus symétrique, plus facile à déstabiliser par des décalages, des gradients de champ locaux ou des perturbations de contact, ce qui nécessite souvent un alignement d'actionnement plus précis ou un contrôle supplémentaire pour éviter le glissement, la dérive de lacet ou le roulement irrégulier. »
La conception unique de cette équipe pourrait ouvrir la voie au développement de robots-capsules magnétiques. À l'avenir, elle pourrait être adaptée ou améliorée par d'autres chercheurs afin d'accroître encore les performances et la polyvalence de ces robots miniatures en forme de pilule, tout en élargissant leurs fonctionnalités.
« En programmant le motif d'aimantation (NSSN/SNNS) lors de l'impression et en le validant par simulation magnétostatique, nous obtenons une forte anisotropie magnétique et un moment magnétique net bien défini, permettant un roulement bidirectionnel stable et une direction précise sous champs magnétiques externes rotatifs, sans algorithmes de contrôle complexes », explique Xia. « Nous avons également validé de manière systématique la locomotion sur des surfaces texturées lisses, inclinées, sèches et humides, démontrant ainsi la robustesse du dispositif dans des conditions proches du milieu gastrique. »
Applications médicales et prochaines étapes de la recherche
Le minuscule robot-capsule mis au point par Xia et ses collègues est facile à ingérer et pourrait donc servir à réaliser des procédures diagnostiques et thérapeutiques au sein du tube digestif. Avant son utilisation en milieu clinique, les chercheurs devront toutefois s'assurer de sa biocompatibilité et de sa sécurité d'administration.
Pour accomplir les tâches souhaitées, la capsule robotisée pourrait être remplie de divers composants électroniques, de réservoirs de médicaments ou d'instruments médicaux. Par exemple, elle pourrait contenir des caméras, des instruments de biopsie, des anti-inflammatoires, des médicaments de chimiothérapie ou des capteurs miniatures.
« Notre robot pourrait être utilisé pour l’endoscopie par capsule active avec navigation contrôlée, la libération ciblée de médicaments sur des lésions spécifiques, le prélèvement de biopsies localisées et, à l’avenir, la surveillance des signaux physiologiques grâce à des capteurs », a déclaré Xia. « Son actionnement étant sans fil et reposant sur des champs magnétiques externes d’intensité cliniquement acceptable, la plateforme offre une solution évolutive pour le développement de la robotique capsulaire contrôlable et capable d’emporter une charge utile, en vue d’interventions médicales intra-corporelles. »
Les chercheurs prévoient actuellement de nouvelles études visant à améliorer la navigation du robot et à étendre ses fonctionnalités. Ils tenteront dans un premier temps d'améliorer ses capacités de navigation magnétique, par exemple en augmentant l'intensité des champs magnétiques externes afin d'accroître les distances qu'il peut parcourir.
« Le développement de robots sous forme de capsules pour la surveillance de la santé gastro-intestinale est un projet d'ingénierie système comportant divers composants sous-jacents », a déclaré Xia. « Les principaux sous-domaines comprennent la navigation/locomotion magnétique, l'instrumentation des transducteurs, la miniaturisation de l'électronique, la recharge sans fil et les tests sur des modèles animaux/fantômes médicaux. »
L'objectif à long terme des chercheurs sera d'améliorer le robot dans tous ces différents domaines. À terme, ils espèrent démontrer son potentiel pour la surveillance de la santé gastro-intestinale ou pour réduire le caractère invasif des interventions chirurgicales, par exemple en permettant son utilisation pour réaliser des opérations endoscopiques sans anesthésie.
« Depuis la célèbre conférence du Dr Richard Feynman sur les nanotechnologies il y a plus de 60 ans, nous nous trouvons aujourd'hui à un moment charnière pour concrétiser des idées dignes de la science-fiction, comme celle d'« avaler le chirurgien » pour des traitements médicaux à l'intérieur du corps », a ajouté Xia.
« Alors que nous constatons l’impact de la miniaturisation technologique sur la civilisation humaine, le moment est venu de développer de manière holistique des outils plus avancés et des dispositifs miniaturisés grâce aux nanotechnologies. »
https://medicalxpress.com/news/2026-02-3d-swallowable-robot-gastrointestinal-procedures.html