Negli esperimenti che coinvolgono una simulazione dell’esofago e dello stomaco umani, i ricercatori del MIT, l’Università di Sheffield e l’Istituto di Tecnologia di Tokyo hanno dimostrato come un piccolo robot a forma di origami si possa schiudere da una capsula ingerita e, guidato da campi magnetici esterni, avanzare lentamente attraverso la parete dello stomaco per rimuovere una batteria a bottone ingerita e, successivamente, guarire un’eventuale ferita.
Il nuovo lavoro, che i ricercatori stanno presentando questa settimana, in occasione della Conferenza internazionale sulla robotica e automazione, si basa su una lunga sequenza di documenti sui robot a origami, capeggiato dal gruppo di ricerca di Daniela Rus, Andrew e Erna Viterbi, professori al MIT del Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica.
“È davvero emozionante vedere i nostri piccoli robot a origami fare qualcosa per la salute, grazie a delle importanti e potenziali applicazioni che abbiamo apportato”, spiega Rus, che dirige anche il laboratorio dell’Intelligenza Artificiale, sempre al MIT. “Per le applicazioni all’interno del corpo, abbiamo bisogno di un piccolo, controllabile, sistema robotizzato scollegato, ovvero, non collegato a nessuna apparecchiatura esterna. Un robot è molto difficile da controllare e posizionare all’interno del corpo, se è legato a qualcosa”.
Il team della dottoressa Rus è composto da: Shuhei Miyashita, dottore all’Università di York, in England; Steven Guitron, laureato in ingegneria meccanica; Shuguang Li; Kazuhiro Yoshida dell’Istituto di Tecnologia di Tokyo, che era in visita al MIT quando si stava svolgendo la ricerca; Dana Damiano dell’Università di Sheffield, in Inghilterra.
I progressi
Anche se il nuovo robot è un successore di quello presentato alla stessa conferenza l’anno scorso, il disegno della sua struttura è significativamente diverso. Come il suo predecessore, lo si può utilizzare con quello che viene chiamato movimento “stick-slip”, in cui le sue appendici si infilano in una superficie attraverso la frizione quando si esegue un movimento, ma scivolano di nuovo via libere quando il corpo si flette per cambiare la distribuzione del peso.
Come il prototipo precedente, e come molti altri robot a origami del gruppo Rus, il nuovo robot consiste in 2 strati di materiale strutturale, con in mezzo un materiale che si contrae quando viene frizionato. Un modello a fessure negli strati esterni influisce su come il robot si pieghi quando gli strati intermedi si contraggono.
Modifiche strutturali
L’uso previsto del robot ha dettato anche una serie di modifiche strutturali. Lo “stick-slip” funziona solo quando il robot è abbastanza piccolo e il robot è abbastanza rigido. Spiega Guitron: “Con il disegno originale, era molto più rigido rispetto al nuovo design, che si basa su un materiale biocompatibile”.
Per compensare la malleabilità relativa al materiale biocompatibile, i ricercatori sono dovuti intervenire con un disegno che ha richiesto un minor numero di fessure. Allo stesso tempo, le pieghe del robot aumentano la rigidità lungo determinati assi.
Ma poiché lo stomaco è pieno di liquidi, il robot non si basa interamente sul movimento dello stick-slip. “Nel nostro calcolo, il 20% del movimento in avanti si ha con la propulsione dell’acqua, e l’80% è dato dal movimento dello stick-slip”, dice Miyashita. “A questo proposito, abbiamo introdotto e applicato attivamente il concetto e le caratteristiche di una pinna, per disegnare il corpo”.
L’adattamento del nuovo modello
Doveva anche essere possibile comprimere il robot abbastanza da poter essere contenuto in una capsula da deglutire; analogamente, quando la capsula si fosse dissolta, le forze agenti sul robot dovevano essere abbastanza forti da causare il suo dispiegarsi completamente. Attraverso un processo di progettazione che Guitron descrive come “la parte delle prove e degli errori”, i ricercatori sono arrivati ad un robot di forma rettangolare, con delle pieghe perpendicolari come una fisarmonica e con gli angoli che fungono da punti di trazione.
Al centro di una delle pieghe della fisarmonica, c’è un magnete permanente che risponde ai mutevoli campi magnetici esterni al corpo, che controllano il movimento del robot. Le forze applicate al robot sono principalmente rotazionali. Una rotazione rapida lo farà girare sul posto, ma una rotazione lenta causerà una rotazione attorno a uno dei suoi piedini fissi. Negli esperimenti dei ricercatori, il robot utilizza lo stesso magnete per attirare la batteria a bottone.
Intestini di suini
I ricercatori hanno testato una dozzina di diverse possibilità per decidere quale materiale strutturale scegliere per creare il tipo di intestino, e la scelta è ricaduta sul quello di maiale essiccato, utilizzato per gli insaccati. “Abbiamo speso un sacco di tempo nei mercati asiatici e nel mercato di Chinatown alla ricerca di materiali adatti”, dice Li. Lo strato contratto deve essere termoretraibile e biodegradabile e si chiama Biolefin.
Per progettare il loro stomaco sintetico, i ricercatori hanno comprato uno stomaco di maiale e hanno testato le sue proprietà meccaniche. Il loro modello è una sezione trasversale tra lo stomaco e l’esofago, modellata da una gomma siliconica con lo stesso profilo meccanico. Una miscela di acqua e succo di limone simula i fluidi acidi nello stomaco.
Un problema diffuso
Ogni anno, 3500 batterie a bottone vengono inghiottite solo negli Stati Uniti. Frequentemente, le batterie vengono digerite normalmente, ma se entrano a contatto per un tempo prolungato con il tessuto dell’esofago o dello stomaco, possono provocare una specie di corrente elettrica che produce idrossido, che è in grado di bruciare il tessuto.
Miyashita ha impiegato una strategia intelligente per convincere Rus che la rimozione delle batterie a bottone inghiottite e il trattamento delle conseguenti ferite era un’applicazione interessante per testare il loro robot a origami.
“Shuhei ha comprato un pezzo di prosciutto e ci ha infilato una batteria al suo interno”, dice Rus. “In mezz’ora, la batteria è stata completamente sommersa dal prosciutto. Questo mi ha fatto capire che, si, questo metodo era da testare. Se si ha ingerito una batteria, la si vuole fuori dal proprio corpo il prima possibile”.
“Questo concetto è altamente creativo e molto pratico, e risponde ad una necessità clinica in modo elegante”, dice Bradley Nelson, professore di robotica presso l’Istituto Federale Svizzero di Tecnologia di Zurigo. “Si tratta di una delle applicazioni più convincenti del robot ad origami che io abbia mai visto”.
Speriamo che diventi presto una realtà, così da evitare interventi chirurgici invasivi.
