Pada malam musim luruh yang cerah pada tahun 2006, Dr. Sylvain Martel menahan nafas ketika juruteknik memasukkan babi anestetik ke dalam mesin fMRI yang berputar. Matanya menatap skrin komputer yang menunjukkan manik magnetik tergantung di saluran darah babi nipis. Ketegangan di dalam bilik dapat dirasakan secara fizikal. Tiba-tiba belon itu hidup dan meluncur di atas kapal seperti kapal selam mikroskopik menuju ke tempat tujuannya. Pasukan ini mendapat tepukan gemuruh.
Martel dan pasukannya sedang menguji cara baru untuk mengendalikan objek kecil dari jarak jauh di dalam haiwan hidup dengan memanipulasi daya magnet mesin. Dan buat pertama kalinya ia berjaya.
Para saintis dan penulis telah lama mengimpikan robot kecil yang bergerak melalui sistem peredaran tubuh yang luas seperti penjelajah angkasa yang mengkaji galaksi dan penghuninya. Potensinya sangat besar: robot perubatan kecil boleh, misalnya, memindahkan ubat radioaktif ke kelompok barah, melakukan operasi di dalam badan, atau membersihkan gumpalan darah jauh di dalam jantung atau otak.
Mimpi, mimpi, tetapi dengan bantuan robot, kata Dr Bradley Nelson dari Universiti Politeknik Zurich, orang boleh terjun langsung ke aliran darah untuk melakukan pembedahan otak.
Pada masa ini, robot mikro perubatan kebanyakannya fiksyen, tetapi ini mungkin berubah pada dekad berikutnya. Minggu ini, Dr Mariana Medina-Sánchez dan Oliver Schmidt dari Leibniz Institute for Solids and Materials Research di Dresden, Jerman, menerbitkan sebuah makalah di Nature yang beralih dari skrin besar ke makmal nanoengineering, menggariskan keutamaan dan ujian realistik untuk menghidupkan kembali pakar bedah kecil ini.
Penciptaan penggerak
Robot mikro perubatan adalah sebahagian daripada perjalanan ubat ke miniaturisasi. Pada tahun 2001, syarikat Israel memperkenalkan PillCam, kapsul plastik bersaiz permen yang dilengkapi dengan kamera, bateri dan modul tanpa wayar. Semasa melalui saluran pencernaan, PillCam secara berkala menghantar kembali gambar secara tanpa wayar, menawarkan kaedah diagnostik yang lebih sensitif dan kurang toksik daripada endoskopi tradisional atau radiografi.
Video promosi:
PillCam berukuran besar untuk microrobot yang sempurna, menjadikannya sesuai untuk tiub sistem pencernaan kita yang agak lebar. Pil ini juga pasif dan tidak dapat berlama-lama di tempat-tempat menarik untuk pemeriksaan yang lebih terperinci.
"Robot perubatan sebenar harus bergerak dan maju melalui rangkaian kompleks tubul berisi cecair dalam tisu jauh di dalam badan," jelas Martel.
Mayatnya, sayangnya, sangat tidak dialu-alukan oleh tetamu luar. Robot mikro mesti menahan jus gastrik yang menghakis dan melayang ke hulu aliran darah tanpa motor.
Makmal di seluruh dunia berusaha mencari alternatif yang masuk akal untuk menyelesaikan masalah pemakanan. Satu idea adalah untuk membuat roket kimia: robot mikro silinder dengan "bahan bakar" - logam atau pemangkin lain - yang bertindak balas dengan jus perut atau cecair lain, memancarkan gelembung dari bahagian belakang silinder.
"Motor ini sukar dikawal," kata Medina-Sanchez dan Schmidt. Kita secara kasar dapat mengawal arahnya menggunakan kecerunan kimia, tetapi tidak cukup kuat dan berkesan. Merancang bahan bakar tidak beracun berdasarkan gula, urea, atau cairan tubuh lain juga menghadapi cabaran.
Alternatif yang lebih baik ialah motor fizikal logam yang dapat diaktifkan dengan perubahan medan magnet. Martel, seperti yang ditunjukkan oleh demonstrasi manik-babi, adalah salah satu yang pertama menyiasat motor seperti itu.
Mesin MRI sangat sesuai untuk mengawal dan mencitrakan prototaip logam mikrobot, jelas Martel. Mesin ini mempunyai beberapa set gegelung magnetik: set utama menggerakkan mikorobot setelah dimasukkan ke dalam aliran darah melalui kateter. Kemudian, dengan memanipulasi gegelung gradien MRI, kita dapat menghasilkan medan magnet yang lemah untuk mendorong mikrorobot melalui saluran darah atau saluran biologi lain.
Dalam eksperimen berikutnya, Martel membuat zat besi dan kobalt nanopartikel yang dilapisi dengan ubat antikanker dan menyuntik tentera kecil ini ke dalam arnab. Dengan menggunakan program komputer untuk menukar medan magnet secara automatik, pasukannya mengarahkan bot tepat ke sasaran. Walaupun tidak ada tumor yang sebenarnya dalam kajian ini, Martel mengatakan projek seperti ini dapat berguna dalam memerangi barah hati dan tumor lain dengan kapal yang agak besar.
Mengapa tidak kapal kecil? Masalahnya adalah tenaga lagi. Martel dapat mengecilkan robot menjadi beberapa ratus mikrometer - lebih kurang memerlukan kecerunan magnetik yang begitu besar sehingga mengganggu neuron di otak.
Microcyborgs
Penyelesaian yang lebih elegan adalah menggunakan motor biologi yang sudah ada di alam semula jadi. Bakteria dan sperma dilengkapi dengan ekor whiplash yang secara semula jadi mendorong mereka melalui terowong berliku dan rongga badan untuk melakukan reaksi biologi.
Dengan menggabungkan bahagian mekanikal dengan bahagian biologi, seseorang dapat menjadikan kedua komponen ini saling melengkapi apabila gagal.
Contohnya ialah bot sperma. Schmidt mengembangkan gegelung logam kecil yang membungkus sperma malas, memberikannya mobiliti untuk mencapai telur. Sperma juga boleh dimuat dengan ubat-ubatan yang berkaitan dengan struktur mikro magnetik untuk merawat barah di saluran pembiakan.
Terdapat juga kumpulan bakteria MC-1 khusus yang sejajar dengan medan magnet Bumi. Dengan menghasilkan medan yang agak lemah - cukup untuk mengatasi Bumi - saintis dapat mengarahkan kompas dalaman bakteria ke arah sasaran baru seperti barah.
Malangnya, bakteria MC-1 hanya dapat bertahan dalam darah hangat selama 40 minit, dan kebanyakannya tidak cukup kuat untuk berenang melawan aliran darah. Martel ingin mewujudkan sistem hibrida bakteria dan pundi kencing. Gelembung, yang dimuatkan dengan zarah dan bakteria magnetik, akan diarahkan ke dalam kapal yang lebih besar menggunakan medan magnet yang kuat sehingga memasuki ruang yang lebih sempit. Kemudian mereka meletup dan melepaskan sekumpulan bakteria, yang dengan cara yang sama, menggunakan medan magnet yang lemah, akan menyelesaikan perjalanan mereka.
Melangkah ke hadapan
Walaupun para saintis telah membuat banyak idea mengenai penggerak, mengesan mikrobobot setelah mereka dimasukkan ke dalam badan tetap menjadi cabaran besar.
Gabungan teknik pengimejan yang berbeza dapat membantu. Ultrasound, MRI dan pencitraan inframerah terlalu lambat untuk memerhatikan operasi mikrorobot jauh di dalam badan. Tetapi dengan menggabungkan gelombang cahaya, suara dan elektromagnetik, kita dapat meningkatkan resolusi dan kepekaan.
Sebaik-baiknya, teknik pengimejan harus dapat mengesan mikromotor pada kedalaman 10 sentimeter di bawah kulit, dalam bentuk 3D dan dalam masa nyata, bergerak dengan kelajuan minimum puluhan mikrometer sesaat, kata Medina-Sanchez dan Schmidt.
Pada masa ini, ini sukar dicapai, tetapi para saintis berharap teknik optoakustik canggih, menggabungkan pencitraan inframerah dan ultrasound, mungkin cukup baik untuk mengesan mikrobobot dalam beberapa tahun.
Dan kemudian persoalannya masih ada, apa yang harus dilakukan dengan robot pada akhir misi mereka. Membiarkan mereka melayang di dalam badan adalah tanda pembekuan atau kesan sampingan bencana lain seperti keracunan logam. Mendapatkan robot kembali ke titik permulaannya (mulut, mata, dan bukaan semula jadi lain) boleh menjadi luar biasa. Oleh itu, saintis mempertimbangkan pilihan yang lebih baik: membuang robot secara semula jadi atau membuatnya dari bahan yang boleh terbiodegradasi.
Yang terakhir mempunyai nilai tambah yang terpisah: jika bahan sensitif terhadap panas, keasidan atau faktor tubuh lain, bahan tersebut dapat digunakan untuk membuat biorobot autonomi yang berfungsi tanpa bateri. Sebagai contoh, para saintis telah membuat "graspers" berbentuk bintang kecil yang menutup sekeliling tisu apabila terdedah kepada panas. Apabila diletakkan di sekitar organ atau tisu yang berpenyakit, sel darah itu dapat melakukan biopsi di situ, menawarkan kaedah yang kurang invasif untuk pemeriksaan kanser usus atau mengesan penyakit radang usus kronik.
"Tujuannya adalah untuk membuat microrobots yang dapat merasakan, mendiagnosis, dan bertindak secara autonomi ketika manusia mengawasi dan tetap terkawal sekiranya terjadi kerusakan," kata Medina-Sanchez dan Schmidt.
Perjalanan robot mikro perubatan yang hebat baru bermula.
Semua kombinasi bahan, mikroorganisma dan struktur mikro mesti diuji selama-lamanya untuk memastikan ia selamat, pertama pada haiwan dan kemudian pada manusia. Para saintis juga sedang menunggu bantuan dari pengawal selia.
Tetapi keyakinan para saintis tidak mengering.
"Melalui inisiatif yang diselaraskan, microrobots dapat membawa kita ke era terapi non-invasif selama sepuluh tahun," kata para penyelidik.
ILYA KHEL
