Черви — обычно последнее, что хочется обнаружить у себя в кишечнике. Но инженеры Массачусетского технологического института (MIT) разрабатывают новое «ползающее» устройство, которое, в отличие от настоящих паразитов, призвано помогать человеку. Речь идёт о мягком роботе, способном самостоятельно перемещаться по пищеварительному тракту.
Мягкий робот самостоятельно проникает в кишечник через рот или задний проход человека.
Устройство под названием BIOSENTER спроектировано так, чтобы автономно продвигаться по тесному, извилистому тонкому кишечнику, сжимая и вытягивая корпус подобно дождевому червю или змее. Движение обеспечивается поочерёдной подачей воздуха в четыре надувные камеры по бокам полого тела. Оказавшись внутри, робот умеет делать снимки, доставлять лекарства и даже брать небольшие образцы тканей для биопсии. Проникать в кишечник он способен самостоятельно — через рот или задний проход.
Как бы тревожно это ни звучало, авторы проекта уверены: робот может стать более быстрой и менее трудоёмкой альтернативой двухбаллонной энтероскопии — нынешнему стандарту обследования тонкой кишки. На фоне роста числа заболеваний и онкологии кишечника любые методы ранней диагностики способны буквально спасать жизни. Подробности разработки команда опубликовала в журнале Science Robotics.
Тонкий кишечник — тесный район
Тонкая кишка — крайне неудобное место для диагностики. При длине до 20 футов (около 6 метров) она плотно свёрнута в тесной части брюшной полости и зажата между желудком и толстой кишкой, из-за чего до неё трудно добраться. При этом именно здесь возникают кровотечения, воспаления и непроходимости, которые без лечения оборачиваются серьёзными проблемами. Сегодня основной способ осмотра этого органа — двухбаллонная энтероскопия: медики раз за разом надувают и сдувают два баллона, проталкивая зонд по пищеварительному тракту. Метод рабочий, но медленный и требует постоянного участия врача.
«Фундаментальная задача, которую мы пытаемся решить, — научиться оценивать этот 20–25-футовый участок тонкого кишечника более автоматизированным способом», — пояснил инженер-механик MIT и соавтор исследования Джованни Траверсо.
За решением команда обратилась к природе — к змеям. Эти рептилии перемещаются, поочерёдно сокращая мышцы по обеим сторонам тела, а чешуя даёт им дополнительное сцепление с поверхностью. Исследователи увидели в этом естественном «изобретении» эволюции схему, которая хорошо подходит для узких и скользких коридоров желудочно-кишечного тракта.
Ползком — ради здоровья кишечника
Опираясь на «змеиную» идею, инженеры собрали мягкого резинового робота с полым корпусом. Его червеобразное тело имеет длину около 3,7 дюйма (примерно 9,4 см) при диаметре в половину дюйма — достаточно компактно, чтобы проходить не только по тонкой кишке, но и по другим узким каналам тела, например по пищеводу. По бокам трубчатого корпуса расположены четыре надувные камеры: они раздуваются и сдуваются в чередующихся комбинациях, за счёт чего робот движется вперёд и меняет направление. В духе змеиной темы снаружи корпус покрыт текстурированной, чешуйчатой оболочкой, улучшающей сцепление.
Кроме того, в голове и хвосте робота есть раздвижные секции, вдохновлённые японским искусством киригами — разновидностью оригами, где используются не только сгибы, но и надрезы. Эти надувные сегменты попеременно цепляются за стенку кишечника и отпускают её, фиксируя робота, чтобы он мог подтягивать себя вперёд. В полом корпусе BIOSENTER размещён целый набор инструментов: камеры для съёмки, распылитель для доставки лекарств и крошечные щипцы для забора тканей. Всё устройство соединено кабелем с внешней системой. Хотя робот рассчитан на преимущественно автономную работу, врач может управлять им и вручную — с помощью пульта, напоминающего контроллер Xbox.
«Используя киригами-оболочки для усиления трения о поверхность, робот создаёт локальное сцепление с тканью для передвижения, не прибегая к чрезмерному растяжению деликатных стенок тонкого кишечника», — добавил аспирант MIT Ахмад Муджтаба Джебран.
Робота протестировали на нескольких усыплённых живых свиньях — анатомия их пищеварительного тракта близка к человеческой. В ходе эксперимента BIOSENTER 11 минут перемещался по кишечнику животных, снимая изображения в реальном времени, собирая небольшие образцы тканей и доставляя жидкость в заданные точки.
BIOSENTER — не первый робот, ползающий по кишечнику. Ещё в 2021 году команда из Университета Макао в Китае создала прототип, вдохновлённый африканским пауком, который двигался «колесом». Тот робот проглатывался в виде капсулы размером с витаминку и перемещался по ЖКТ, включая тонкую кишку, под действием магнитного поля, а наружу выводился естественным путём — с дефекацией.
Как видно, не всякая наука выглядит эстетично.
