Grafen wykorzystywany w chwytakach chirurgicznych

Grafen i ciekłe kryształy zostaną wykorzystane przy narzędziach chirurgicznych, w których precyzja oraz delikatność odgrywa kluczową rolę.

Naukowcy z Eindhoven poczynili znaczący krok naprzód w rozwoju technologii miękkich robotów, szczególnie do użytku w warunkach chirurgicznych. Stworzyli oni miękką „rękę” robota, wykorzystując połączenie ciekłych kryształów i grafenu, materiałów znanych ze swojej elastyczności i wytrzymałości. Innowacyjna praca została szczegółowo opisana w czasopiśmie *ACS Applied Materials & Interfaces*.

W przyszłości miękkie roboty mogą odgrywać kluczową rolę w szpitalach, zwłaszcza jako asystenci chirurgiczni. Tradycyjne roboty, często wykonane z metali, są sztywne i nie nadają się idealnie do delikatnego, bogatego w płyny środowiska ludzkiego ciała. Wyzwanie polega na opracowaniu robotów, które można precyzyjnie kontrolować i łatwo manewrować w takich warunkach. Zespół z Instytutu ATLAS na University of Colorado Boulder, kierowany przez doktorantkę Laurę van Hazendonk, zaprojektował rozwiązanie – miękki chwytak robotyczny wykonany z grafenu i ciekłych kryształów.

„Roboty stały się niezbędne w różnych branżach, od produkcji po opiekę zdrowotną” – mówi Van Hazendonk. „Jednakże, aby rozszerzyć ich zastosowanie, zwłaszcza we wrażliwych środowiskach, takich jak chirurgia, musimy zbadać nowe materiały”. Tradycyjne roboty są zbudowane z twardych, sztywnych metali, co może ograniczać ich wydajność w określonych zastosowaniach. Z drugiej strony, robotyka miękka ma na celu wykorzystanie materiałów takich jak płyny, żele i substancje elastyczne, które mogą się odkształcać i dostosowywać do różnych sytuacji, zwiększając funkcjonalność robota.

Model zaprojektowany przez Van Hazendonk i jej współpracowników wykorzystuje iine podejście do ciekłych kryształów i grafenu. Ciekłe kryształy mają unikalne właściwości, które pozwalają im zachowywać się zarówno jak ciecze, jak i ciała stałe, w zależności od warunków. Ta podwójna natura jest idealna do tworzenia materiałów, które muszą być zarówno elastyczne, jak i stabilne strukturalnie. Grafen, znany ze swojej niesamowitej wytrzymałości i przewodności, uzupełnia ciekłe kryształy, zapewniając niezbędną wytrzymałość i czułą kontrolę poprzez prądy elektryczne.

Działanie chwytaka obejmuje szereg siłowników – urządzeń kontrolujących ruch. Siłowniki te są napędzane ciepłem generowanym przez elementy grafenowe osadzone w palcach chwytaka. Gdy prąd elektryczny przepływa przez te grafenowe ścieżki, nagrzewają się one, powodując zmianę struktury ciekłych kryształów. Transformacja powoduje zginanie palców chwytaka, umożliwiając mu chwytanie i manipulowanie obiektami.

Opracowanie tej technologii nie obyło się bez wyzwań. „Jednym z głównych problemów, z jakimi musieliśmy się zmierzyć, było zapewnienie, że grafenowe elementy grzejne osiągną odpowiednią temperaturę bez przegrzania” – wyjaśnia Heiner Friedrich, adiunkt zaangażowany w projekt. Początkowe próby skutkowały albo niewystarczającą ilością ciepła, albo zbyt wysokimi temperaturami, które uszkadzały urządzenie. Dzięki skrupulatnym regulacjom zespołowi udało się stworzyć siłownik, który działa skutecznie przy bezpiecznym napięciu poniżej 15 woltów. Chwytak może podnosić obiekty o wadze od 70 do 100 miligramów, co jest odpowiednim zakresem do zastosowań chirurgicznych obejmujących małe narzędzia lub delikatne tkanki.

Badania otwierają nowe możliwości wykorzystania robotyki miękkiej w medycynie. Precyzja i zdolność adaptacji chwytaka sprawiają, że jest on doskonałym kandydatem do zadań wymagających umiejętności motorycznych i delikatnej obsługi, które są kluczowe w wielu procedurach chirurgicznych. Van Hazendonk przewiduje przyszłość, w której technologia ta zostanie w pełni zintegrowana z praktykami medycznymi, zapewniając chirurgom ulepszone narzędzia do poprawy wyników leczenia pacjentów.

Co więcej, zespół bada dalsze innowacje, w tym rozwój w pełni drukowanych w 3D miękkich robotów. „Nasza obecna metoda polega na odlewaniu warstwy ciekłych kryształów w formach” – mówi Van Hazendonk. „Jednak inni badacze wykazali, że ciekłe kryształy można drukować w 3D. Połączenie tego z naszymi technikami druku grafenowego może umożliwić nam tworzenie całkowicie drukowanych urządzeń robotycznych”.

Rozwój robotyki miękkiej wykorzystującej materiały takie jak ciekłe kryształy i grafen stanowi znaczący krok w kierunku bardziej wszechstronnych i bezpieczniejszych narzędzi chirurgicznych. Zajmując się ograniczeniami tradycyjnych sztywnych robotów, nowa technologia może potencjalnie zrewolucjonizować sposób wykonywania operacji, czyniąc je mniej inwazyjnymi i bardziej precyzyjnymi.

Szymon Ślubowski