רובוטים זעירים בשירות הרפואה

אחת מסדרות הטלוויזיה הזכורות לי מצעירותי הייתה "אוטובוס הקסמים", שסיפרה על כיתת תלמידים שיוצאת להרפתקאות קסומות של ידע באוטובוס פלאי. באחד הפרקים ביקרה הכיתה בתערוכה על גוף האדם, כשלפתע פתאום האוטובוס התכווץ והתלמידים והמורה מצאו את עצמם בתוך גוף אנושי, שם למדו מבפנים את התהליכים מתרחשים בו. רעיון דומה הופיע עוד קודם לכן בסרט הקלאסי Fantastic Voyage משנות ה-60, שבו החדירו לגופו של מדען פצוע צוללת שכווצה לגודל של כמה מיקרומטרים, במטרה לתקן נזק שנגרם למוחו. היכולת לכווץ בני אדם וכלי רכב אמנם נותרה בגדר מדע בדיוני, אולם השימוש במכונות זעירות לצרכים רפואיים הופך אט אט למציאות.

בתחומים שונים בעולם הרפואה כבר נעשה שימוש בטכנולוגיות מזעריות. בשנת 2012, לדוגמה, אישר מינהל המזון והתרופות של ארצות הברית (FDA) לשווק חיישן לבליעה שאפשר לשלב בגלולות. החיישן, שגודלו כגרגיר חול, נועד לסייע למטופלים לדבוק במשטר התרופות שלהם ולאפשר לרופאים לעקוב אחר מדדים פיזיולוגיים שלהם.

עוד קודם לכן, בתחילת שנות ה-2000, אושרו לשימוש מצלמות זעירות שמשמשות לצילום מערכת העיכול במקום הליכים חודרניים. עם זאת, יצירת מכונות זעירות, מעין רובוטים שמסוגלים לנוע בגוף האדם באופן אקטיבי ולבצע פעולות רפואיות, מחייבת את החוקרים לחשוב באופן יצירתי ולהתגבר על מכשולים הנדסיים מגוונים. בגדלים מיקרוסקופיים צריך לחשוב מחדש על היבטים רבים של הפעלת מכשירים, אספקת כוח ותנועה בגוף. בנוסף, כיוון שהרובוטים מיועדים לשימוש בגוף האנושי, צריך לדעת היכן בדיוק הם נמצאים בגוף, לוודא שהם אינם רעילים או פוגעים ברקמות, וכמובן, שהם מתפרקים בגוף או עוזבים אותו מבלי לגרום נזק.

כוכבי ים זעירים לאבחון סרטן

בשנים האחרונות ראינו התפתחויות מרשימות במגוון תחומים מדעיים וטכנולוגיים, כגון מזעור של רכיבים חשמליים, יצירה של מולקולות סינתטיות והבנה מעמיקה ומדויקת יותר של תהליכים שמתרחשים בגוף. יחד הן מסייעות למדענים להתגבר על המכשולים וליצור רובוטים זעירים שממחישים היטב את הפוטנציאל הטמון בתחום הזה. חוקרים מפתחים כיום רובוטים מזעריים המיועדים לשימוש בעיקר בשני תחומים ברפואה: אבחון מוקדם של מחלות והובלה של תרופות ליעדן.

אחת הבעיות העיקריות שניצבת בפני החוקרים בבואם לעצב רובוטים כאלה היא אספקת כוח. אחרי הכול, בגדלים כאלה אי אפשר להשתמש בסוללות רגילות. אחד הפתרונות הוא להשתמש בחומרים שמגיבים לגורמים סביבתיים.

חוקרים מאוניברסיטת ג׳ון הופקינס בבולטימור דיווחו בשנת 2015 על פיתוח של רובוטים זעירים דו-ממדיים בצורת כוכב ים, שמאמצים מבנה תלת-ממדי בדומה לקיפולי נייר. אפשר לייצר את הרובוטים מחומרים שונים, כגון מתכת ופולימרים, והם יכולים לשנות את המבנה שלהם בתגובה לשינויים פיזיקליים וכימיים כגון טמפרטורה או רמת חומציות/בסיסיות. לדוגמה, כשזרועות של רובוט מתכתי נחשפות לחום הגוף, הן יכולות להיסגר ולתפוס חתיכת רקמה, וכך לבצע ביופסיה בצורה אוטומטית. החוקרים מאמינים שכוכבי הים המתכתיים האלה יוכלו לסייע בעתיד באבחון סרטן המעי הגס.

סרטון רובוט כוכבי הים של IEEE (אנגלית)

משאיות האשפה של מערכת העיכול 

רובוט נוסף, שפיתחו לאחרונה חוקרים מהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT), אוניברסיטת שפילד בבריטניה והמכון הטכנולוגי של טוקיו, גם הוא רובוט אוריגמי. מחוץ לגוף הוא מוחזק עטוף בקרח בצורת גלולה. כשבולעים אותו והקרח מפשיר, הרובוט יכול להשתחרר בקיבה ולהתקפל לצורתו הפעילה, דבר שמאפשר לו לנוע על הרירית ולגרור עצמים שנבלעו בטעות – למשל סוללות.

מתברר שבארצות הברית ילדים ומבוגרים בולעים בטעות מדי שנה כ-3,500 סוללות, ורובוט כזה עשוי לעזור במקרים שבהם הסוללות לא יוצאות מהגוף באופן טבעי עם הצואה. הרובוט יוכל לגרור עמו את העצם הזר למעי, ומשם הם ייפלטו ביחד בקלות. החוקרים טוענים שאפשר יהיה להתאים את הרובוט כך שישנע תרופות לגוף ואפילו יבצע ניתוחים מדויקים באזורים בלתי נגישים בקיבה ובמעיים. עם זאת, לפי ההערכה יידרשו עוד שש-שמונה שנים עד שיוכלו לבצע ניסויים קליניים במערכת הזאת.

סרטון MIT: רובוט האוריגמי של מערכת העיכול (אנגלית)

עכבישים מגנטיים למשימות מיוחדות

מערכת העיכול היא מקום נוח יחסית לשימוש ברובוטים זעירים – היא נגישה, מרווחת יחסית ומאפשרת לרובוטים לצאת בקלות מהגוף אחרי שמילאו את תפקידם. שימוש ברובוטים למקומות נגישים פחות, כגון העיניים, המוח וכלי הדם, מחייב מחשבה נוספת ועיצובים מתוחכמים אף יותר.

אחת הסכנות העיקריות היא שייווצרו קרישי דם כתוצאה מגורמים זרים שמסתובבים בגוף, ועל כן חיוני לכוון במדויק את הרובוטים אל יעדיהם. אחת הדרכים לעשות את זה היא באמצעות כוחות מגנטיים. בשנת 2014 הציגו חוקרים מהמעבדה לננו-רובוטיקה באוניברסיטת קרנגי מלון שבפנסילבניה פיתוח של מיקרו-רובוטים פשוטים, באורך של מילימטר בודד, בעלי זרועות ויכולת תנועה. הפיתוח, שפורסם בכתב העת Advanced Functional Materials, התבסס על חומרים מגנטיים שמאפשרים לשלוט בתנועת הרובוטים ובהפעלת הזרועות.

שנה לאחר מכן הציגו חוקרים מהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס רובוט שעשוי מריבוע מתכתי קטן, שמתקפל במגע עם חום ומסוגל לנוע בתנועה כיוונית. הרובוט עשוי מפולימר בשם PVC ומכיל גם הוא מגנט ששולט בתנועתו.

רובוט ה-PVC המגנטי בסרטון של MIT (אנגלית)

הרובוטים של העתיד

אמנם רבים מהרובוטים המזעריים הללו לא יצאו עדיין מבין כתלי המעבדה, אולם מדענים ומהנדסים בטוחים שבעתיד נראה שימוש רב בהם ברפואה, לשלל צרכים. חוקרים רבים כבר נושאים את פניהם לעתיד הזעיר עוד יותר של ננו-רובוטים, שממש בימים אלה הוכרז על הכוונה לתת פרס נובל לשלושה מדענים על פיתוחים הקשורים בהם.

זה אותו עתיד שטווה הפיזיקאי המפורסם ריצ׳רד פיינמן בשנת 1959, בנאומו יש שפע של מקום בתחתית: "חברי אלברט ר' היבס מציע יכולת מעניינת מאוד עבור מכונות קטנות יחסית. אף על פי שמדובר ברעיון פרוע ביותר, הוא מעלה אפשרות מעניינת לניתוח – לבלוע את המנתח. שמים את המנתח המכני בתוך כלי הדם והוא מגיע ללב ו'מביט' סביבו. הוא מזהה את השסתום הפגום, מוציא סכין קטנה וחותך אותו. מכונות קטנות אחרות עשויות להשתלב באופן קבוע בגוף ולסייע לאיברים שאינם מתפקדים כראוי. כעת מגיעה השאלה המעניינת: איך מייצרים מכונות זעירות כאלה? את זה אני משאיר לכם".