Dari tangan dan lengan robot hingga pompa jantung yang lembut, biomaterial, otot-otot yang dicetak 3D dan banyak lagi, kemajuan cepat dalam robotika dan bioteknologi menimbulkan teknik baru untuk memperbaiki tubuh manusia.
Kecelakaan atau penyakit dapat berarti belajar hidup dengan anggota tubuh yang hilang, organ yang rusak, atau jaringan, tulang atau sendi yang rusak. Para peneliti di EPFL dan di tempat lain sedang mengerjakan solusi baru untuk membuat hidup lebih nyaman bagi jutaan orang yang menderita di seluruh dunia.
Laboratorium Teknik Neural Translasi EPFL, yang dipimpin oleh Silvestro Micera, telah membuat nama untuk dirinya sendiri selama lebih dari satu dekade, terutama untuk karyanya pada tangan prostetik. Pada tahun 2023, kelompok penelitian membuat langkah besar ke depan dengan mengembangkan metode umpan balik sensorik baru yang menggunakan elektroda termal noninvasif untuk memungkinkan amputasi merasakan kehangatan di tangan mereka yang hilang. “Umpan balik suhu sangat penting untuk menyampaikan informasi yang melampaui sentuhan,” kata Micera pada saat itu. “Ini mengarah pada perasaan kasih sayang. Kami adalah makhluk sosial dan kehangatan adalah bagian penting dari itu.”
TNE Bioengineer Vincent Mendez, yang berbasis di kampus Biotech di Jenewa, adalah salah satu peneliti di garis depan inovasi di bidang ini: “Saat ini, kelompok kami sedang mengerjakan prostesis yang menggabungkan semua teknologi dan kemampuan yang kami kembangkan dalam beberapa tahun terakhir – sensasi sentuhan dan kehangatan, ditambah komponen robot,” ia mengatakan. “Di sisi sentuhan, kami telah bekerja sama dengan rekan-rekan dari Scuola Superiore Sant'anna di Pisa, Italia. Mereka telah mengembangkan sistem baru yang tidak berinvasif yang, alih-alih mengandalkan implan saraf, menggunakan balloon mini yang mengembang di dalam antarmuka lampiran, menyentuh kulit pada titik-titik spesifik dan menciptakan ilusi yang menjadi pajuk pajuk itu sendiri.
Tangan buatan dikendalikan oleh pikiran
Selama enam tahun terakhir, Mendez telah berfokus khususnya pada masalah kontrol, bekerja dengan pasien untuk mengembangkan sistem untuk memerintah tangan robot dengan pikiran mereka. “Kami menggunakan elektroda di lengan bawah untuk mengukur aktivitas otot,” jelasnya. “Itu memungkinkan kita menguraikan dan menafsirkan sinyal yang mereka kirimkan. Tujuannya adalah untuk menerjemahkan niat orang tersebut menjadi gerakan alami yang intuitif.” Mendez berharap prototipe yang menggabungkan teknologi baru akan siap pada tahun 2026.
Peneliti lainnya adalah Daniel Leal, seorang neuroengineer yang terlibat dalam proyek ARM ketiga, yang bertujuan untuk mengembangkan lengan robot “ekstra”. Selain memulihkan beberapa fungsi untuk orang-orang yang telah kehilangan penggunaan anggota badan atas mereka, sistem ini juga dapat terbukti bermanfaat bagi orang-orang yang berbadan sehat, membantu mereka “multitask” atau melakukan operasi medis atau penyelamatan yang rumit. “Salah satu tantangan adalah menemukan cara untuk mengendalikan lengan tambahan menggunakan sumber daya motor yang biasanya dialokasikan untuk fungsi tubuh lainnya, tanpa mengganggu fungsi -fungsi itu,” kata Leal. “Pekerjaan kami melibatkan memanfaatkan redudansi alami yang dibangun di dalam tubuh manusia.”
Kelompok penelitian sedang mengeksplorasi apakah lengan robot dapat dikendalikan dengan menggerakkan diafragma atau telinga. “Otot telinga adalah vestigial, atau sisa -sisa proses evolusi. Kebanyakan orang tidak dapat lagi menggunakannya,” kata Leal. “Tetapi koneksi saraf masih ada, sehingga kita dapat melatih otak untuk menugaskannya kembali. Salah satu keuntungan dari otot-otot ini adalah mereka masih dapat dipertahankan dalam kebanyakan kasus cedera sumsum tulang belakang tingkat tinggi, menjadikannya target yang cocok untuk kontrol neuroprostetik.”
Hidrogel: potensi yang menjanjikan untuk penyembuhan jaringan lunak
Untungnya, tidak semua pakar melibatkan hilangnya anggota tubuh. Cedera yang diderita di rumah atau saat bermain olahraga sering memengaruhi jaringan lunak seperti kulit, tendon dan otot. Tetapi bahkan operasi kecil dapat memiliki hasil yang beragam, karena jaringan ini cenderung beregenerasi dan sembuh dengan buruk. Para peneliti telah berusaha selama beberapa dekade untuk mengembangkan perekat yang mampu menahan tekanan tubuh manusia yang bergerak. Di Laboratorium EPFL ortopedi biomekanik (LBO), Dominique Pioletti dan timnya sedang mengerjakan kelas baru hidrogel – biomaterial yang dapat disuntikkan yang dapat berikatan dengan jaringan dan membantu mereka beregenerasi.
Seperti yang dijelaskan Pioletti, hidrogel menawarkan sejumlah keunggulan utama: “Sama seperti jaringan lunak, hidrogel terdiri dari matriks molekul yang memegang cairan di dalamnya. Keuntungan lain adalah mereka dapat disuntikkan dalam bentuk cair dan kemudian dipadatkan sebagian pada tahap selanjutnya, misalnya, sebagai respons terhadap cahaya, yang berarti mereka dapat digunakan dalam invasif minimal.
Saat ini, para peneliti LBO berfokus terutama pada perbaikan cacat tulang rawan. “Rekan -rekan kami di Rumah Sakit Universitas Lausanne (CHUV) mengobati cedera tulang rawan dengan mengekstraksi sel dari pasien, memperluas mereka di laboratorium, dan kemudian memasukkan kembali mereka untuk mempromosikan pertumbuhan kembali,” kata Pioletti. “Untuk saat ini, sel -sel ini disuntikkan dengan cairan, yang menyebabkan beberapa masalah – terutama ketika menyangkut agar tetap di tempatnya. Tetapi jika mereka dimasukkan ke dalam gel yang berikatan dengan tulang rawan, sel -sel akan tetap di tempat yang seharusnya, mengarah ke hasil terapi yang lebih baik. Gel akan melindungi dan menyatu dengan jaringan yang ada.”
Mengobati tulang rawan yang rusak – sejenis jaringan yang teksturnya pioletti dibandingkan dengan permen karet – sangat banyak perlombaan terhadap waktu: “Jika daerah yang rusak tidak dilindungi, tubuh membentuk apa yang dikenal sebagai fibrocartilage. Alih -alih ini akan mengisi -goyah, tetapi akan memenuhi kertiban yang lebih baik, tetapi mencegah kertiban yang tidak terorganisir. Regenerasi. ” Salah satu tantangan utama dengan pendekatan ini adalah memprediksi seberapa cepat hidrogel akan menurun.
Pioletti berharap memiliki produk yang layak secara komersial siap sekitar lima tahun. Dia juga terlibat dalam penciptaan FLOWBONE Startup EPFL.
Kulit dan otot 3D
LBO bukan satu -satunya kelompok penelitian yang melakukan penelitian perintis pada hidrogel. Awal tahun ini, para ilmuwan di Swiss Federal Laboratories for Material Science and Technology (EMPA) menggunakan gelatin yang berasal dari ikan air dingin seperti COD dan Pollock untuk mengembangkan biomaterial yang dipatenkan, inovatif, dan non-pembantu yang dapat dicetak 3D dengan sel-sel kulit untuk membuat model hidup. Hidrogel mensimulasikan matriks ekstraseluler dan meniru struktur berlapis kulit manusia, memungkinkan para ilmuwan untuk mempelajari penyakit dan luka kronis. Ini juga dapat digunakan sebagai bahan ganti: kompatibel secara biologis dan menyebabkan lebih sedikit reaksi kekebalan daripada bahan yang sebanding berdasarkan gelatin mamalia.
Tim EMPA lainnya menggunakan pencetakan 3D untuk menghasilkan otot buatan. Pada bulan Maret tahun ini, para peneliti mengumumkan terobosan yang signifikan, mencatat bahwa struktur ini suatu hari nanti dapat “mendukung orang -orang di tempat kerja atau ketika berjalan, atau mengganti jaringan otot yang terluka.” Otot-otot buatan mengandung aktuator elastis dielektrik (dias), yang merupakan lapisan bahan berbasis silikon yang saling terkait: satu konduktif, yang lainnya nonkonduktif. Aktuator berkontraksi seperti otot ketika tegangan listrik diterapkan, kemudian rileks ketika tegangan dimatikan.
Menyembuhkan hati dan menyebarkan senyum
Deas memainkan peran penting dalam karya Yves Perriard, microengineer yang berbasis di kampus EPFL di Microcity di Neuchâtel. Dua entitas yang ia kepala – Laboratorium Aktuator Terpadu (LAI) dan Pusat Otot Buatan (CAM) – bekerja dengan para insinyur di Universitas Zurich, Universitas Bern dan Universitas Teknis Munich untuk mengembangkan motor dan komponen robot lunak yang dapat membantu mereka yang menderita karena penyakit atau cedera.
Melalui penelitian mereka yang berfokus pada jantung – atau, lebih tepatnya, aorta – para ilmuwan berharap untuk membawa revolusi dalam perawatan gagal jantung. “Saat ini, ketika kami menanamkan pompa buatan, komponen kaku seperti logam dan magnet harus ditempatkan di dalam jantung,” kata Perriard. “Tujuan kami adalah menciptakan sesuatu yang lembut dan jauh lebih tidak invasif – pompa yang tidak bersentuhan langsung dengan darah atau memasuki jantung.”
Tim Perriard telah mengembangkan DEA berbentuk cincin yang dapat ditempatkan di aorta di mana ia bergabung dengan hati. “Cincin itu mengembang dan kontrak,” jelasnya. “Dengan membuatnya bergerak selaras dengan pembukaan dan penutupan katup aorta, kita dapat menciptakan efek hisap yang membantu jantung memompa.”
Metode ini terbukti berhasil selama uji coba awal dalam Vito pada babi, yang dilakukan pada tahun 2021 dan 2022. “Dan tahun lalu, kami membuat penemuan yang membuka dunia yang sama sekali baru,” kata Perriard. “Dengan menciptakan celah udara di sekitar DEA, kami dapat memperkuat efeknya dengan faktor hampir sepuluh. Daripada hanya membantu jantung berdetak, sistem ini bisa, pada kenyataannya, menggantinya sama sekali.” Tim telah mematenkan teknologi berpemilik ini. “Kami semakin dekat ke titik di mana kami dapat menjalankan cobaan manusia,” kata Perriard.
Laboratorium Perriard juga berkolaborasi dengan kelompok penelitian Nicole Lindenblatt di Rumah Sakit Universitas Zurich tentang perawatan reanimasi wajah. “Tujuan kami adalah membantu orang yang menderita kelumpuhan wajah,” jelasnya. “Kondisi ini, yang sering mempengaruhi hanya satu sisi wajah, dapat disebabkan oleh virus yang menyerang saraf. Sistem kami melibatkan menghubungkan DEA yang datar dan sangat tipis dengan otot utama zygomaticus di bawah pipi. Ini dikendalikan oleh perangkat elektronik yang membaca dan menafsirkan sinyal saraf, memulihkan kemampuan pasien untuk menaikkan sudut mulut mereka.” Kemajuan ini, dan orang lain seperti mereka, diatur untuk membuat jutaan wajah kembali pada jutaan wajah.
Artikel ini diterbitkan dalam edisi Juni 2025 dari Dimensions, sebuah majalah EPFL yang menampilkan penelitian mutakhir melalui serangkaian artikel mendalam, wawancara, potret, dan sorotan berita. Diterbitkan empat kali setahun dalam bahasa Inggris dan Prancis, itu dapat dikirim ke siapa saja yang ingin serta berkontribusi anggota klub alumni EPFL. Ini juga didistribusikan secara gratis di kampus EPFL.
