標的薬剤放出、最新のバブルボットで実現に近づく

ロボティクスは、効率的でコスト効果の高いソリューションへの需要が高まるにつれて、年々ますます人気が高まっています。 

ロボット技術は利便性と安全性の向上を提供し、人工知能と機械学習の統合により、より高度なロボット機能が可能になる中、世界のロボティクス市場は今十年の終わりまでに$2000億ドル（本十年末まで）を超えると予測されています。 

ロボティクスの利用拡大のもう一つの証拠は、2023年に541,302台に達した産業ロボットの世界的導入数で、史上2番目に多い年間導入数です。前年には552,946台が導入され、記録が樹立されました。 

それに伴い、稼働中のロボット総数は世界で約430万台に達し、アジアが70％でリードし、次いでヨーロッパが17％、アメリカが10％となっています。ロボット製造に関しては、日本が46％のシェアでトップです。 

国際ロボティクス連盟（IFR）によると、ロボティクスの成長は2025年に加速し、今後もこの速度で続くとされています。 

ロボティクスの大規模な拡大を牽引している産業としては、自動車がトップで、次いで電子機器、金属・機械、廃棄物管理、農業、小売、建設、飲食サービスがロボットを活用しています。 

医療におけるロボット

ロボットはさまざまな産業で使用されていますが、最も大きくかつ肯定的な影響を与えている分野は医療です。世界の医療ロボットシステム市場は急速に拡大しており、2024年の160億ドルから2029年には338億ドルへと成長すると見込まれています。

ロボットは薬剤供給やリハビリ支援から診断、手術、薬剤投与まで、医療のあらゆる領域で活用されています。 

例えば、ロボットアームは混合、分配、計数、検査に使用され、プログラムされた供給ロボットは特定の場所へ物品を配送します。 

これらの自律移動ロボットは、医療従事者の肉体的負担を軽減し、人手不足に対応することで、日常業務を簡素化しています。また、在庫管理や必要時の常備品確保、部屋の消毒や患者受け入れ準備も行います。 

日常業務をすべて引き受けることで、自律移動ロボットは医療スタッフが患者とその技術では満たせない特定のニーズに集中できるようにします。Aethon社のTugというロボットは、過酷な環境でも安全に必要な場所へ必要な時に配送できる能力を持つ代表例です。 

これらのロボットは、清掃、消毒、病原体曝露リスクがある地域への医薬品輸送といった作業を担うことで、安全な作業環境の構築にも寄与しています。 

CDCによると、入院患者の約31人に1人がある日に少なくとも1つの医療関連感染を抱えています。これは病院が部屋を完全に消毒できていないことが原因です。このような問題に対処するため、FDA認可のXenexのような自動ロボットが開発され、パルスUV光で数分で病室を滅菌します。 

技術革新により、外科支援ロボットも高度化し、外科医が複雑な手術をより高速かつ正確に行えるようになっています。 

da Vinci Surgical Systemという多関節ロボットは、手術を低侵襲化し、外科ミスを減らし、制御性を向上させます。Cyberknifeは、腫瘍に対して極めて高精度に放射線治療を行うことでがん治療に貢献しています。 

さらに、薬剤ロボットは高齢化や慢性疾患患者の増加に伴い注目を集めています。手作業で時間がかかる重要プロセスを自動化することで、品質と精度の向上に寄与しています。 

薬剤投与用ロボット 

技術の進歩と薬剤開発・患者ケアにおける自動化の必要性の高まりにより、ロボットは薬剤投与をより効率的かつ正確にし、患者ケアを向上させています。 

企業は、化学反応や光、電場、磁場などの外部エネルギーで駆動し、難しい部位へ薬剤を届けるマイクロ・ナノロボットを開発しています。病変部位を標的にすることで、治療効果を高め副作用を低減します。 

数年前、研究チームはMANiACsを開発しました。これは磁性ナノロッドを柔らかい球状シェルに封入した小型の転がるロボットです。2022年にはスタンフォード大学の機械工学エンジニアが同様の多機能ワイヤレスロボットを構築しました。 

さらに数か月前、シンガポールのNTU研究者は粒子サイズのソフトロボットを開発し、標的薬剤投与に利用しています。このロボットは磁性微粒子で作られ、磁場で制御され、最大4種類の薬剤を搭載し、再プログラム可能な投与量と順序で放出できます。 

この研究は、微小物体を掴み狭い空間を泳ぐことができる磁気制御ミニチュアロボットに関するチームの過去の成果を基にしています。 

1960年代のSF映画『ファンタスティック・ヴォヤージュ』からインスピレーションを得て、科学者の脳を修復するために細胞サイズに縮小したクルーの物語を現実化しようとしています。 

高い操作性を持つこのロボットは、実験室で0.30mmから16.5mm/秒の速度で移動し、過酷な環境でも薬剤を成功裏に投与し、8時間連続運転後でも薬剤漏れは最小限でした。 

NTUチームはさらにロボットを小型化し、膀胱がん、脳腫瘍、結腸直腸がんの治療に応用できるよう検討しています。 

マイクロボット：精密医療を革命する小型ロボット

マイクロロボットは、ミニチュア化されたセンサーとアクチュエータを利用して、プログラムされた動作を実行します。そのマイクロサイズにより、従来は手が届きにくかった環境でも容易に使用でき、低侵襲手術、疾患診断、解毒、精密薬剤投与に不可欠です。 

しかし、深部組織での有効性や定位に課題があります。 

別の大きな問題は、実体よりも見た目が大きいことです。過去二十年で、さまざまなマイクロまたはナノロボットが登場しましたが、現時点では生体内での応用はかなり限られています。さらに、唾液、尿、血液などの複雑な生体液中で高精度に物体を移動させることも非常に難しいです。 

ナノロボットに対する他の障壁として、体内でのリアルタイム検出と、標的治療のための正確な遠隔操作が挙げられます。 

また、これらのマイクロボットを設計する際、テザー付きにすべきかテザーなしにすべきかという問題が生じます。テザーなしのマイクロロボットが人体内で効果的に機能するためには、生体流体中で安定した推進力、強力なペイロード容量、高い生体適合性（外科的除去を回避できること）、リアルタイム可視化のための高度なイメージング、そして正確なターゲティングが必要です。 

ここで、音響駆動ロボットは、深部組織への浸透、非侵襲的操作、迅速な応答、強力な推進力、安全性といった利点から大きな可能性を示しています。 

そのため、カリフォルニア工科大学（Caltech）の研究者は、BAMというハイドロゲルベースで画像誘導型、バイオリサーバブルな音響マイクロロボットを開発しました。BAMは金属ヒューマノイドやバイオミミックロボットではなく、微小な気泡状の球体です。 

本稿の共同筆頭著者でCaltech医療工学教授、Heritage Medical Research Institute Investigatorの魏高（Wei Gao）によれば、

「我々は、これらすべての課題に対応できる単一プラットフォームを設計しました。」

彼らの研究では、実験でロボットがマウスの膀胱腫瘍サイズを縮小させる治療薬の投与に成功したと報告しています。 

「薬剤を体内に投与し全身に拡散させるのではなく、今やマイクロロボットを腫瘍部位に直接誘導し、制御された効率的な方法で薬剤を放出できます。」

– Gao

BAM技術が進展すれば、本研究は医療分野と患者ケアに大きなインパクトを与えると期待されています。 

BAMの設計と開発

球状の微細構造を持つ新しいマイクロロボットは、ポリ（エチレングリコール）ジアクリレートというハイドロゲルで作られています。ハイドロゲルは液体または樹脂状態で始まり、内部のポリマー網が架橋すると固体になります。 

このような組成と微細構造により、ハイドロゲルは大量の液体を保持でき、ロボットの生体適合性問題を克服するのに役立ちます。一方、付加製造により外部球体が体内の標的部位へ治療薬を運搬できるようになります。 

微細構造とハイドロゲルのレシピは、共同筆頭著者のジュリア・R・グリーア（Julia R. Greer）と、材料科学・力学・医療工学の教授であるルーベン・F・およびドナ・メトラー（Ruben F. and Donna Mettler）の協力で作成されました。 

このために、彼女のグループは二光子重合（TPP）リソグラフィーを使用しました。この3Dプリンティング技術では、レーザーを用いて複雑な構造を作り出します。ここでは、赤外線レーザーの超高速パルスが光感受性ポリマーを選択的に架橋し、特定のデザインに従います。 

TPPリソグラフィーは基本的に高解像度の構造を層ごとに構築し、チームは約30ミクロン（人間の髪の太さと同等）の直径の微細構造を印刷（書き込み）できました。 

球状構造について語ると、グリーアは「書き込むのが非常に複雑で、球体が自己崩壊しないようにするための特定のコツが必要」と述べており、チームがそれを実現できたことは大きな成果です。 

「我々は、生体機能化と医療に必要なすべての要素を含む樹脂を合成しただけでなく、必要な空洞を備えた正確な球形に書き込むことができました。」

– Greer

これが球体の内部構造で、外部構造には最終形態で磁性ナノ粒子と治療薬が組み込まれます。 

磁性ナノ粒子により、外部磁場でロボットを制御し、目的地点へ誘導できます。目的地に到達するとロボットはその位置に留まり、薬剤は受動的に拡散します。 

微細構造の外側は親水性に設計されており、水に引き付けられます。これにより、体内を移動する際にロボット同士がくっつくのを防ぎます。 

一方、内部表面は親水性ではなく疎水性で、空気泡を捕捉できるようにしています。 

外側は水を引き付け、内部は水をはじくハイブリッドマイクロロボットを作るために、チームは化学的修飾を設計しました。 

この修飾は二段階で行われました。第一段階では長鎖炭素分子をハイドロゲルに結合させ、疎水性にしました。第二段階では酸素プラズマエッチング技術で外側の炭素構造を除去し、外側を親水性にしました。 

この化学修飾を「本プロジェクトの主要イノベーションの一つ」と呼び、ガオは「非対称表面修飾により、多数のロボットを使用しながらも、尿や血清などの生体液中で長時間気泡を捕捉できるようになった」と述べました。 

チームの実証実験では、気泡は数分ではなく数日間持続しました。 

では、なぜ最初に気泡を捕捉する必要があるのでしょうか？　捕捉した気泡はロボットの移動とリアルタイムイメージングでの追跡に不可欠です。 

ロボットを前進させるために、球体に2つのシリンダー状開口部を設けました。2つの開口部により、単一開口部よりもさまざまな生体液中で高速に移動できることが分かりました。 

超音波場に曝露されると、ロボット内部の気泡が振動し、周囲の流体が流れ出てロボットを推進します。 

各微細構造に捕捉された気泡は優れた超音波イメージング造影剤として機能し、体内でのリアルタイムモニタリングが可能になります。 

チームはこのマイクロロボットを膀胱腫瘍を持つマウスで薬剤投与ツールとして試験しました。22日間で4回の治療薬投与がロボットの助けで行われ、ロボット未使用の群よりも腫瘍縮小効果が高いことが確認されました。ガオは次のように述べています：

「これは薬剤投与と精密外科の非常に有望なプラットフォームだと考えています。将来的には、さまざまな治療ペイロードや薬剤を異なる疾患に届けるプラットフォームとして評価できるでしょう。長期的にはヒトでのテストを目指しています。」

ロボティクスで広範な応用が期待できる粘着金属についてはこちらをご覧ください。

医療ロボティクス分野で投資可能な企業 

では、この分野で注目すべき企業を見てみましょう：

Intuitive Surgical

この時価総額1866億ドルの企業は、da Vinci手術システムとIon内腔システムの開発・製造・販売で知られており、Intuitive Surgical (ISRG ) の製品とサービスは患者の転帰向上を実現します。 

執筆時点で株価は517ドルで、年初来55.3％上昇しており、EPS（TTM）は6.2、P/E（TTM）は84.22です。2024年第3四半期には、売上高が20億4000万ドルで、前年同期比17％増と報告されています。 

この期間中、世界的なda Vinci手術件数は前四半期比約18％増加し、導入台数は9,539台に拡大、Intuitive Surgicalは379台を新規設置しました。また、同システムは韓国でも規制承認を取得しました。 

結論

ロボティクスは世界中の産業で大きな注目を集めており、医療分野でのロボット需要は特に強く、臨床ワークフローの効率化、手術支援、感染リスク低減、安全な環境と高品質な患者ケアの提供に貢献しています。 

本日取り上げたナノロボットに関する最新研究は、難治性だけでなく不可能に近いとされる疾患の治療も可能にする医療のブレークスルーを示しています。これにより、より優れた治療法と健康な未来への道が開かれることでしょう。 

ロボティック手術上位株のリストはこちらをご覧ください。