中国科学家的这项发明,可以快速“制造”毫米级机器人

学术头条

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· 11月19日

这种磁性涂层具有生物相容性,而且在必要时可以分解成粉末,在生物医学领域,比如导管导航和药物输送等,已经表现出了一定的应用潜力。

文丨学术头条

1987 年,美国科幻大片《惊异大奇航》(Innerspace)首次向我们展示了科学家对纳米机器人的最早构想。在电影情节中,缩小至几纳米的人或飞船被注射进人体后,这些特殊的微小 “探险者” 便在人身体内部开始了一场惊险旅行。

近年来,微型机器人在生物医学领域的应用已经得到了快速发展。设想一个场景,当你出现感冒或胃疼等病症时,医生仅仅使用一个小小的纳米机器人,就可以深入你的体内并探测出病毒源头,然后进行针对性靶向治疗,将病毒迅速、精准歼灭。

近日,来自香港城市大学(CityU)、中国科学院深圳先进技术研究院(SIAT)的研究人员及其合作者,成功开发出一种制造毫米级机器人(Millirobots)的简单方法。该方法只需要将类似胶水的磁性喷雾剂喷在物体表面,就可以快速制造出一种运动可控且灵活的毫米级机器人。

利用这种方法,在磁场的驱动下,被涂抹后的物体可以在不同表面上爬行、行走或滚动。

相关论文以 “An agglutinate magnetic spray transforms inanimate objects into millirobots for biomedical applications” 为题,于 11 月 19 日在线发表在科学杂志《科学机器人》(Science Robotics)上。

研究人员表示,这种磁性涂层具有生物相容性,而且在必要时可以分解成粉末,在生物医学领域,比如导管导航和药物输送等,已经表现出了一定的应用潜力。

穿上“磁性外衣”,秒变微型机器人

近年来,随着微电子技术的高速发展,科学家在微型机器人的尺寸设计上不断取得新的突破,毫米级、微米级甚至是纳米级的微型机器人全部进入大众视线。微型机器人以其娇小的身躯,在军事监控、小空间作业、生物医学等领域,都表现出了比传统机器人更加优越的性能。

在这项研究工作中,研究人员既不需要提升电子设计的集成度,也不用考虑机器人外壳材质如何选取,只需通过给物体涂上一种名为 M-spray 的复合胶状磁性喷雾剂(composited glue-like magnetic spray),就可以快速构建大量毫米级机器人。

对此,论文作者之一、香港城市大学生物医学工程学系副教授申亚京解释道:“我们的想法是利用这种 ‘磁性外衣’,将任何物体变成机器人,并控制它们的运动轨迹。我们研发的 M-spray 可以粘在目标物体上,并且在磁场的驱动下 ‘激活’ 物体。”

据论文介绍,M-spray 由聚乙烯醇(PVA)、麸质蛋白(Gluten)和铁微粒(Iron Particles)组成,可以在瞬间稳固地粘附在一维、二维或三维物体的表面上,无论这个表面是粗糙还是光滑。

研究人员首先在物体上涂上 M-spray,然后使用单一的或多个磁化方向对其进行磁化,以实现通过磁场对物体移动方式的控制,最后对物体进行加热,直到涂层凝固。尽管 M-spray 涂在物体表面形成的薄膜厚度只有 0.1-0.25mm 左右,但这种涂层足以保持物体原有的尺寸、形状和结构。

这样一来,在磁场的驱动下,物体就可以变成具有不同运动模式的毫米级机器人,而且在玻璃、皮肤、木头到沙子等粗糙程度不等的各种表面上,均可进行爬行、翻转、行走和滚动等运动。

该研究团队通过分别为棉线(1D)、折纸(2D 平面)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜(2D 曲面/软面)和塑料管(3D 圆形物体)喷涂 M-spray,使其转化为了软体爬行机器人、多足机器人、行走机器人和滚动机器人。

“按需编程”的机器人

当前,无论是医疗诊断机器人、管道检测机器人,还是昆虫式机器人等,在设计之初,其结构、用途、控制运动的程序均已确定,其灵活性受到了严重的制约。该论文所描述的这种方法就突破了当前微型机器人的瓶颈,其特别之处在于,研究人员可以按需对微型机器人的运动模式进行重新编程。

此外,研究人员解释道,通过将凝固的 M-spray 涂层充分润湿,使其像胶水一样粘附在物体表面,再通过对其施加强磁场,就可以改变 M-spray 涂层的磁性颗粒的分布方向和排列方向,以实现对微型机器人运动方式的灵活控制。

实验表明,同一个 M-spray 涂层的毫米级机器人可以在不同运动模式间切换。比如,在宽敞的环境中,可以像毛毛虫一样(以三维的运动方式)快速移动;在遇到狭窄的缝隙时,也可以切换到平面运动方式,宛如一支缓慢的协奏曲,慢慢地通过缝隙。 

随时分解,无副作用

研究人员表示,这种可重新编程的驱动特性也有助于“毫米级机器人”定向导航至目标。为了探索这种机器人在生物医学领域中的应用潜力,他们使用了一种可嵌入体内进行疾病治疗和手术的导管进行了导航实验。

实验证明,带有 M-spray 涂层的导管可以在血管内进行急速或平稳转弯,而且血液流动对 M-spray 涂层导管的运动性和稳定性的影响是有限的。

此外,他们也根据递送任务和环境的不同,对棉线不同部分的 M-spray 涂层进行了重新编程,进一步实验表明,M-spray 涂层棉线可以实现快速转向,并顺利通过不规则的狭窄结构空间。

他们表示,从临床应用的角度来看,这可以防止 M-spray 涂层物体在进入人体过程中遇到意外的窄“通道”。“毫米级机器人在复杂的食管、血管和尿道中运动,始终需要可导航的导管进行操作,而基于任务的重新编程恰好为此提供了广阔的应用前景。”

这项技术的另一个重要特征是,M-spray 涂层可以在磁场的操纵下按需分解成粉末。研究人员强调,M-spray 崩解后产生的副作用可以忽略不计。“M-spray的所有原料(即聚乙烯醇、麸质蛋白和铁微粒)都具有生物相容性,涂层在崩解后产生的粉末可以被人体吸收,或者排泄出去。”

兔胃中的成功案例

为了进一步验证 M-spray 毫米级机器人的可行性和有效性,研究人员用途有 M-spray 的胶囊在兔子体内进行了试验。

在给药过程中,研究人员对兔子进行麻醉后,通过放射成像方法跟踪 “磁性胶囊” 在兔胃中的位置。当胶囊到达目标区域时,研究人员通过施加磁振荡再使涂层崩解。“M-spray 的可控崩解特性使得药物能够在目标位置释放,而不是随机散落在器官中。”

据论文介绍,在 pH 为 1 的强酸性环境下(人体的胃液 PH 值一般为 0.9-1.5),M-spray 涂层会在 8 分钟左右的时间内开始崩解。但是,研究表明,在 M-spray 涂层表面上再增加一层 PVA,可以使崩解时间延长到 15 分钟左右,而如果用镍微粒代替铁微粒,即使在 30 分钟后,该涂层仍然可以在强酸性环境中保持稳定。

我们的实验结果表明,可以用 M-spray 构建不同的毫米级机器人,以适应各种环境、表面条件和障碍物。我们希望这种方法能够促进毫米级机器人在不同领域的开发和应用,比如主动运输、可移动传感器和设备,特别是在有限空间内的任务。” 研究人员说。

参考资料:
https://robotics.sciencemag.org/content/5/48/eabc8191

https://drive.google.com/drive/folders/1jrkBbjCXxLZgnK1Y29LyIkaGMottDRvf

https://www.dropbox.com/sh/6qrzwic6qdyfe3n/AAAgmm00QU_RodcAzeZuNtG8a?dl=0

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