Origami-Roboter heilt von Innen

Philips stellte 2008 mit der Intellicap die erste Generation von medikamentenverabreichenden Robotern vor. Die kleine Kapsel besteht aus einer elektronischen Wirkstofffreisetzung, einer einfachen Navigation mit Hilfe einer kleinen Batterie, einer Echtzeit-Kommunikation und einem Mikrocomputer als Betriebssystem. Die Kapsel ist 26 Millimeter lang, elf Millimeter breit und besteht aus zwei Teilen: Dem Medikamentencontainer und einem elektrischen Teil. Hier sind Sensoren integriert, die für die richtige Lokalisierung der Medikamentenabgabe ständig den pH-Wert in Speiseröhre, Magen und Darm ermitteln. Am notwendigen Ort setzt dann eine kleine Pumpe, gesteuert von einem Schrittmotor, die richtige Dosierung frei.

Daneben entwickelte Siemens Healthcare mit Olympus Medical System Corporation einen Helfer im Bereich der Magenspiegelung. Das Endoskop in Pillenform ist 31 Millimeter lang und elf Millimeter breit. Es wird vom Patienten einfach geschluckt, der anschließend in einen Magneten gefahren wird. Erst jetzt kann der Arzt mit einem Joystick den Mikroroboter navigieren.

Durch ein rotierendes Magnetfeld wird der Propeller-Antrieb der Kapsel, inspiriert vom Flagellen-Antrieb eines Bakteriums, in Bewegung gesetzt. Zurzeit die einzige Antriebsmöglichkeit. Denn Elektronik und Antrieb in dem kleinen Format unterzubringen, ist ein großes Problem. 60 Prozent des Platzes nimmt allein die Kamera ein.

Nun haben Wissenschaftler am MIT und Tokyo Institute of Technology eine neue Generation von Robotern für das Innere des Menschen entwickelt: den Origami-Roboter. Er kann sich selbständig aus einer verschluckten Kapsel befreien und mit Hilfe eines magnetischen Feldes bewegt werden. Mögliches Einsatzgebiet ist dabei der Magen, um verschluckte Knopfbatterien zu entfernen beziehungsweise eine Wunde zu verschließen. Pro Jahr werden in den USA bis zu 3500 Knopfbatterien verschluckt.

Der Roboter, der aus mehreren Papierteilen besteht, wurde von einer Forschungsgruppe der MIT-Professorin Daniela Rus entwickelt: „Es ist wirklich spannend zu sehen, wie unser kleiner Origami-Roboter potenziell wichtige Anwendungen in der Medizin übernehmen kann. Für Anwendungen im Körper brauchen wir ein kleines, kontrollierbares Robotersystem. Denn es wäre wirklich schwierig, einen Roboter im Körper zu kontrollieren und zu platzieren, wenn er an einem Strick befestigt ist.“

Der neue Origami-Roboter hat eine völlig neue Struktur und besteht aus zwei Schichten eines gefalteten Strukturmaterials, das sich bei Hitze entfaltet. Das Material ist Biolefin, biologisch abbaubar. Die Anordnung von Schlitzen in den äußeren Schichten legt dabei fest, wie sich der Roboter entfaltet. „Der Stick-slip-Effekt (Haftgleiteffekt) funktioniert nur, wenn der Roboter klein und steif genug ist“, erklärt Steven Guitron, Maschinenbauer und Mitglied des Entwicklungsteams.

Da aber der Magen mit Flüssigkeit gefüllt ist, kann er sich nicht allein durch den Stick-Slip-Effekt bewegen. „Laut unseren Berechnungen bewegt sich der Roboter zu 20 Prozent durch Wasser vorwärts und zu 80 Prozent durch den Slick-Slip-Effekt“, erklärt Shuhei Miyashita, Elektronikfachmann an der University of York und einer der Roboterentwickler.

Eine weitere Möglichkeit den Roboter zu komprimieren ist ihn in eine Kapsel zu packen. Wenn sich diese dann auflöst, würden die Kräfte im Magen ausreichen, um ihn vollständig zu entfalten. In der Mitte eines der entfalteten Teile ist ein Permanentmagnet eingebaut, durch den der Roboter gelenkt werden kann. Der Origami-Roboter wurde bereits in einem offenen Schweinemagen getestet.

Diese kleinen Roboter könnten in Zukunft verschluckte Knopfbatterien entfernen. Die Batterie kann beim Kontakt mit Gewebe im Magen oder Speiseröhre Hydroxide produzieren, die das Gewebe verbrennen und somit ein Loch in den Magen ätzen. „Wenn du eine Batterie in deinem Körper hast, willst du sie so schnell wie möglich aus dir heraus haben“, sagt Professorin Daniela Rus. Mit ihrer Entwicklung haben die Forscher ein klinisches Problem kreativ gelöst. So könnte der Origami-Roboter in ferner Zukunft erfolgreich im Klinikalltag eingesetzt werden.