ساخت میکروربات‌های جراحی هوشمند و خودکار: جراحانی کوچک‌تر از مو با مغز مصنوعی

تولد جراحان میکروسکوپی خودکفا

تا چندی پیش، تصور ربات‌هایی که بتوانند درون رگ‌های باریک انسان سفر کنند و با دقتی سلولی به ترمیم آسیب‌های داخلی بدن بپردازند، تنها در قلمرو داستان‌های علمی‌تخیلی ممکن بود. اما اکنون پژوهشگران دانشگاه‌های پنسیلوانیا و میشیگان موفق شده‌اند این رؤیا را به مرحله‌ای از واقعیت نزدیک کنند.

این پژوهش، نتیجه‌ چند دهه تلاش متمرکز برای طراحی ربات‌هایی در مقیاس میکروسکوپی است که همانند سلول‌های زنده بتوانند حس کنند، تحلیل کنند و واکنش نشان دهند. پیش‌تر، میکروربات‌ها یا وابسته به میدان‌های مغناطیسی و لیزرهای خارجی برای حرکت بودند و یا فاقد قدرت پردازش و تصمیم‌گیری مستقل؛ اما اکنون، تیم مشترک دو دانشگاه توانسته است این مرز را بشکند و ربات‌هایی کاملاً خودکفا بسازد.

ساختار و ابعاد فراتر از تصور

ربات‌های طراحی‌شده، ابعادی بین ۲۱۰ تا ۲۷۰ میکرومتر دارند و این یعنی باریک‌تر از قطر یک تار موی انسان هستند. درون این ساختار مینیاتوری، مجموعه‌ای از اجزای حیاتی جای گرفته است:

• تراشه‌های پردازنده: نقش مغز مصنوعی را ایفا می‌کنند.
• حسگرهای زیستی: برای تشخیص محرک‌های شیمیایی یا دمایی محیط.
• واحدهای حرکتی میکروسکوپی: برای تحرک دقیق.

این ترکیب در کنار هوش مصنوعی به ربات‌ها اجازه می‌دهد تا محیط پیرامون خود را ارزیابی کرده و به‌صورت کاملاً خودگردان عملیات درمانی یا ترمیمی را آغاز کنند. این میکروربات‌ها در شرایط شبیه‌سازی‌شده‌ی جریان خون نیز عملکرد موفقی داشته‌اند و توانسته‌اند بدون استفاده از تجهیزات بیرونی، مسیر خود را انتخاب و به مقصد تعریف‌شده برسند. چنین قابلیتی می‌تواند راه را برای انجام جراحی‌های درون‌رگی غیرتهاجمی، ترمیم موضعی بافت‌ها و حتی رساندن دقیق دارو به نواحی آسیب‌دیده هموار سازد.

تولید انبوه و اقتصادی با فناوری تراشه

پژوهشگران در تولید میکروربات‌های هوشمند جراحی از همان روشی که برای ساخت تراشه‌ رایانه‌های پیشرفته به کار می‌رود استفاده کرده‌اند. با استفاده از این فناوری، تمام اجزای حیاتی ربات از جمله سلول‌های خورشیدی میکروسکوپی برای تأمین انرژی از نور LED، پردازنده مرکزی، حسگرهای دما و سامانه حرکتی، همگی بر روی یک صفحه‌ سیلیکونی فوق‌نازک و در ابعادی کوچک‌تر از دانه برنج چاپ شده‌اند.

این روش، ساخت میکروربات را از یک فرایند پیچیده به یک تولید انبوه و اقتصادی تبدیل کرده است؛ زیرا از هر صفحه‌ سیلیکونی می‌شود صدها واحد ربات کامل به طور هم‌زمان تولید کرد. این دستاورد نه‌تنها سرعت ساخت را چندین برابر افزایش داده، بلکه هزینه‌ هر واحد را به‌طور قابل‌توجهی کاهش داده و چشم‌انداز تولید صنعتی میلیون‌ها میکروربات را در آینده بسیار نزدیک فراهم کرده است.

اثبات هوش و تصمیم‌گیری مستقل

برای ارزیابی توانایی «فکر و تصمیم‌گیری مستقل» این ربات‌ها، تیم پژوهشی آزمایشی هوشمندانه طراحی کرد. ربات‌ها در ظرفی شفاف پر از مایع قرار گرفتند که یک سوی آن سرد و سوی دیگر گرم بود. سپس الگوریتم رفتاری ساده‌ای برایشان تعریف شد:

اگر حس کردی دما در حال کاهش است، با حرکتی منحنی‌وار به سمت گرما پیش برو. اگر حرارت رو به افزایش است، در محل بمان و به‌صورت چرخشی رفتار کن تا در محدوده‌ گرم تثبیت شوی.

نتیجه فراتر از انتظار بود و در ۵۶ آزمایش متوالی، ربات‌ها بدون هیچ فرمان خارجی یا سیگنال کنترلی، به‌طور کاملاً خودکار و دقیق واکنش‌های مناسب نشان دادند. آن‌ها با تغییر شرایط دمایی محیط، جهت حرکت خود را تنظیم کردند و در هر بار به‌درستی توانستند مسیر درست به سمت منطقه‌ گرم‌تر را تشخیص دهند.

چشم‌انداز جراحی درون‌سلولی و چالش‌های پیش رو

یکی از شاخص‌ترین ویژگی‌های این پروژه، برنامه‌ریزی چندمنظوره در یک ربات واحد است. به‌جای نیاز به طراحی مدل‌های جداگانه برای هر مأموریت، این ربات توسط نرم‌افزار و الگوریتم‌های داخلی خود می‌تواند چند نوع وظیفه را انجام دهد که شامل تشخیص تغییرات دما، انتخاب مسیر حرکت به سمت بافت‌های گرم‌تر، یا واکنش به سیگنال‌های شیمیایی سلول‌های بیمار است.

با این حال، سامانه فعلی هرچند مستقل در تصمیم‌گیری است، برای حرکت هنوز به منبع نور خارجی جهت تأمین انرژی نیاز دارد. بنابراین در گام‌های بعدی، باید سامانه پیشرانه بی‌سیم و کاملاً مستقل توسعه یابد تا ربات بتواند در جریان خون یا اندام‌های داخلی بدون وابستگی به محرک بیرونی عمل کند. همچنین آزمون‌های ایمنی و زیست‌سازگاری در بدن جانداران از اولویت‌های اصلی ادامه تحقیقات است.

در چشم‌انداز آینده، این ربات‌ها می‌توانند به جراحان میکروسکوپی خودکار بدل شوند؛ موجوداتی میلیاردها برابر کوچک‌تر از ابزار جراحی فعلی، که به‌صورت هدفمند در بدن انسان حرکت کنند، بافت‌های آسیب‌دیده را ترمیم نمایند، سلول‌های سرطانی را نابود سازند یا دارو را در محل دقیق مورد نظر آزاد کنند. این پژوهش که در نشریه معتبر Science Robotics منتشر شده، نماد عبور از مرز میان ماشین و زندگی است و بشر را به سوی عصری می‌برد که میدان جراحی نه اتاق عمل، بلکه درون سلول‌ها و مویرگ‌ها خواهد بود.