- Menselijke spieren kweken op robots: een nieuwe aanpak voor transplantaties?
- Slakrobot bewaakt de oceanen zonder zonder nadelige gevolgen voor het zeeleven
- Revolutionaire nano-biobots gaan de strijd aan met kanker
Vooruitgang in de robotica en innovatieve ontwerpen maken verbazingwekkende dingen mogelijk. Denk bijvoorbeeld aan robots die delicate, zachte voorwerpen als fruit kunnen vastpakken en chirurgische robots als de Smart Tissue Autonomous Robot (STAR). We hebben over heel wat verbazingwekkende robots geschreven, maar hoe geweldig deze ook zijn, zelfs de beste anorganische ontwerpen hebben een aantal fundamentele uitdagingen.
Zoals Alexandru Micu schrijft voor ZME Science, zijn minuscule, vloeiende en voorzichtige bewegingen moeilijk voor robots van plastic, staal en servos. Hoewel ze natuurlijk enorm sterk en nauwkeurig zijn, hebben ze “moeite met het coördineren van subtielere bewegingen, zoals het breken van een ei in een kom – zonder te knoeien – of bijvoorbeeld iets of iemand zachtjes strelen. In tegenstelling tot dierenbewegingen, die voorzichtig op microschaal beginnen en vloeiend tot grootschalige bewegingen leiden, zijn de beginnende bewegingen van robots altijd schokkerig”. Dat is misschien niet een probleem an sich – we kunnen onze eigen eieren wel breken – maar als je wilt dat robots met mensen of dieren in contact komen of werken, is een zachte streling natuurlijk beter dan een keiharde kneep. En een servo kleine bewegingen laten maken is niet eenvoudig.
Voor sommige dingen die we willen onderzoeken, is het combineren van biologie en robotica wellicht een krachtige nieuwe aanpak die interessante nieuwe mogelijkheden biedt in de wetenschap en geneeskunde.
Menselijke spieren kweken op robots: een nieuwe aanpak voor transplantaties?
Soms kunnen ernstige verwondingen belangrijke spieren beschadigen of vernietigen, waardoor hun functie wordt beperkt en bewegen moeilijk of onmogelijk wordt. Op dit moment is de enige oplossing het verwijderen van een – minder belangrijke – spier uit een ander deel van het lichaam en die vervolgens herimplanteren. De Universiteit van Washington in St. Louis School of Medicine legt uit: “Functionele spiertransplantatie houdt in dat een ‘extra’ spier wordt weggehaald en ergens anders in het lichaam wordt getransplanteerd om beweging te herstellen. Zo kan bijvoorbeeld de gracilisspier van de binnenkant van de dij – die verantwoordelijk is voor enige beweging in het been – worden getransplanteerd om de biceps in de arm te vervangen”.
Maar je lichaam heeft eigenlijk geen ‘extra’ of ‘onnodige’ spieren, en dit is dan ook geen ideale oplossing. Professoren Pierre-Alexis Mouthuy en Andrew Carr, biomedische onderzoekers van de Universiteit van Oxford, hebben hier iets op gevonden. Met traditionele weefselmanipulatie, een proces waardoor spiervezels kunnen groeien, kun je spiervervangingen maken, maar deze zijn lang niet zo functioneel als je eigen, getransplanteerde weefsel. De reden is simpel: je spieren ontwikkelen zich onder specifieke spanningen, op de juiste plaats in het lichaam en door specifiek werk dat ze moeten doen.
Annalee Newitz vertelt in Ars Technica dat Mouthuy en Carr robotachtige simulaties van het menselijk skeletsysteem willen bouwen, met “dezelfde structuren, afmetingen en mechanica als die van het menselijk lichaam”. Ze zijn van plan om spierweefsel te kweken op dit robotframe en het weefsel vervolgens bloot te stellen aan allerlei uiteenlopende duwende en trekkende bewegingen, met als resultaat sterk, capabel spierweefsel waarmee patiënten weer kunnen bewegen.
Slakrobot bewaakt de oceanen zonder zonder nadelige gevolgen voor het zeeleven
In sommige gevallen ontwerpen we robots die een positieve bijdrage leveren aan de natuur en het milieu. Dr. Victoria Webster-Wood, die een team van onderzoekers aan de Case Western Reserve University leidt, heeft een kleine robot ontwikkeld die gemaakt is van biologisch materiaal uit zeeslakken, gecombineerd met zachte, 3D-geprinte materialen. Ze was op zoek naar een kleine robot die haar kon helpen om de gezondheid van koraalriffen te monitoren zonder schade aan te richten. Ze legt uit: “We willen robots kunnen maken die veilig hun werk kunnen doen in de buurt van levende organismen, dus ze moeten er natuurlijk uitzien en voelen, zoals dieren… Een robot van kunststoffen en metalen zou de koraalriffen beschadigen en een gevoelige omgeving nadelig beïnvloeden”.
Haar team besloot om voor het biologische component de zeeslak als basis te nemen, omdat ze sterk zijn en omdat er veel informatie over deze zeedieren beschikbaar is. “Wat zo veelbelovend is aan het weefsel van de zeeslak is dat zijn spieren kunnen worden gebruikt als actuators en we weten veel van de werking van hun neurale systeem,” benadrukt Webster-Wood. Door de ‘mondcellen’ van de slak te manipuleren sturen deze signalen naar de ganglia die de weefsels vertellen dat ze moeten samentrekken, waardoor de slakrobot naar voren beweegt.
Ze werken nog steeds aan het verbeteren van hun ontwerp, maar het team bij Case Western Reserve is enthousiast over de toekomst van hun onderzoek. Naast het monitoren van koraal zien ze hun slakrobot ook allerlei andere aquatische taken uitvoeren. Webster-Wood denkt bijvoorbeeld dat ze “een zwerm van deze slakbots naar watergebieden als Lake Erie zouden kunnen sturen om het gebied te controleren op toxische algenbloei of lekkende pijpleidingen. Bovendien zouden ze uitgerust kunnen worden met zenders of verlicht met groene fluorescerende eiwitten om ze bioluminescent te maken, zodat je ze met een helikopter kunt zien en zo – vanuit de lucht – een probleem kunt opsporen”.
Revolutionaire nano-biobots gaan de strijd aan met kanker
Geneeskunde is nog een gebied waar biobots een groot verschil kunnen maken. Wetenschappers zijn al enige tijd bezig met onderzoek naar nanotech in de geneeskunde, en men heeft al een aantal interessante ontdekkingen gedaan. Het gebruik van nanodeeltjes in de strijd tegen kanker, bijvoorbeeld. Maar zoals we eerder in dit artikel schreven, missen deze minuscule robots de fijne, vloeiende bewegingen en de efficiëntie van de biologie. Daarom onderzoeken wetenschappers de mogelijkheden van biologisch-robotische hybriden. Leonardo Ricotti, van het BioRobotics Institute aan de Sant’Anna School of Advanced Studies, vertelde Live Science: “We exploiteren de functies van levende cellen in kunstmatige robots om hun prestaties te optimaliseren”.
Ricotti vervolgt dat beweging niet de enige uitdaging is: bij veel kleine robots is de stroomvoorziening of accu groter dan de bots zelf. Maar recente ontwikkelingen bieden enorm veel nieuwe mogelijkheden. Een mooi voorbeeld is het werk van Dr. Qi Zhou, onderzoeker aan de Chinese Universiteit van Hongkong. Met zijn hulp heeft het onderzoeksteam onder leiding van professor Li Zhang kleine biobots ontwikkeld die net zo klein zijn als een rode bloedcel. Het team voorziet Spirulina platensis algen van een laagje speciale magnetische deeltjes, waardoor ze een zwerm van wel een miljoen minibots naar moeilijk bereikbare lichaamsdelen kunnen leiden.
Tijdens de eerste experimenten hebben zij deze nieuwe methode op ratten getest om te zien of de algen, bewapend met dodelijke stoffen, kankercellen konden vernietigen. Het team van Zhang was in staat om de biobots te volgen en hen naar de tumor te leiden. “De robots konden gemakkelijk gevolgd worden dankzij twee soorten beeldvorming: fluorescentie, voor het opsporen van de sterke gloed van de Spirulina, en magnetische resonantie, voor het visualiseren van de robots diep van binnenuit van organen – zoals de maag van de ratten – waar de fluorescentie ophoudt,” vertelt Zhang.
Dit is een revolutionaire nieuwe techniek. Dr Zhang zegt: “De meeste biomedische microrobots die momenteel in ontwikkeling zijn voor gebruik in het menselijk lichaam zijn nog niet uitgerust met functies die een gecontroleerde navigatie en toegang tot moeilijk bereikbare weefsels of andere holtes op een minimaal invasieve manier mogelijk maken”.
Naarmate deze innovaties verder ontwikkeld worden, verwachten we binnenkort een nieuw soort biologische robots dat het bereik van technologie nog verder uitbreidt.
