中國科學家的這項發明，可以快速「製造」毫米級機器人

2020-11-19 鈦媒體APP

文丨學術頭條

1987 年，美國科幻大片《驚異大奇航》（Innerspace）首次向我們展示了科學家對納米機器人的最早構想。在電影情節中，縮小至幾納米的人或飛船被注射進人體後，這些特殊的微小 「探險者」 便在人身體內部開始了一場驚險旅行。

近年來，微型機器人在生物醫學領域的應用已經得到了快速發展。設想一個場景，當你出現感冒或胃疼等病症時，醫生僅僅使用一個小小的納米機器人，就可以深入你的體內並探測出病毒源頭，然後進行針對性靶向治療，將病毒迅速、精準殲滅。

近日，來自香港城市大學（CityU）、中國科學院深圳先進技術研究院（SIAT）的研究人員及其合作者，成功開發出一種製造毫米級機器人（Millirobots）的簡單方法。該方法只需要將類似膠水的磁性噴霧劑噴在物體表面，就可以快速製造出一種運動可控且靈活的毫米級機器人。

利用這種方法，在磁場的驅動下，被塗抹後的物體可以在不同表面上爬行、行走或滾動。

相關論文以 「An agglutinate magnetic spray transforms inanimate objects into millirobots for biomedical applications」 為題，於 11 月 19 日在線發表在科學雜誌《科學機器人》（Science Robotics）上。

研究人員表示，這種磁性塗層具有生物相容性，而且在必要時可以分解成粉末，在生物醫學領域，比如導管導航和藥物輸送等，已經表現出了一定的應用潛力。

穿上「磁性外衣」，秒變微型機器人

近年來，隨著微電子技術的高速發展，科學家在微型機器人的尺寸設計上不斷取得新的突破，毫米級、微米級甚至是納米級的微型機器人全部進入大眾視線。微型機器人以其嬌小的身軀，在軍事監控、小空間作業、生物醫學等領域，都表現出了比傳統機器人更加優越的性能。

在這項研究工作中，研究人員既不需要提升電子設計的集成度，也不用考慮機器人外殼材質如何選取，只需通過給物體塗上一種名為 M-spray 的複合膠狀磁性噴霧劑（composited glue-like magnetic spray），就可以快速構建大量毫米級機器人。

對此，論文作者之一、香港城市大學生物醫學工程學系副教授申亞京解釋道：「我們的想法是利用這種 『磁性外衣』，將任何物體變成機器人，並控制它們的運動軌跡。我們研發的 M-spray 可以粘在目標物體上，並且在磁場的驅動下 『激活』 物體。」

據論文介紹，M-spray 由聚乙烯醇（PVA）、麩質蛋白（Gluten）和鐵微粒（Iron Particles）組成，可以在瞬間穩固地粘附在一維、二維或三維物體的表面上，無論這個表面是粗糙還是光滑。

研究人員首先在物體上塗上 M-spray，然後使用單一的或多個磁化方向對其進行磁化，以實現通過磁場對物體移動方式的控制，最後對物體進行加熱，直到塗層凝固。儘管 M-spray 塗在物體表面形成的薄膜厚度只有 0.1-0.25mm 左右，但這種塗層足以保持物體原有的尺寸、形狀和結構。

這樣一來，在磁場的驅動下，物體就可以變成具有不同運動模式的毫米級機器人，而且在玻璃、皮膚、木頭到沙子等粗糙程度不等的各種表面上，均可進行爬行、翻轉、行走和滾動等運動。

該研究團隊通過分別為棉線（1D）、摺紙（2D 平面）、聚二甲基矽氧烷（PDMS）薄膜（2D 曲面/軟面）和塑料管（3D 圓形物體）噴塗 M-spray，使其轉化為了軟體爬行機器人、多足機器人、行走機器人和滾動機器人。

「按需編程」的機器人

當前，無論是醫療診斷機器人、管道檢測機器人，還是昆蟲式機器人等，在設計之初，其結構、用途、控制運動的程序均已確定，其靈活性受到了嚴重的制約。該論文所描述的這種方法就突破了當前微型機器人的瓶頸，其特別之處在於，研究人員可以按需對微型機器人的運動模式進行重新編程。

此外，研究人員解釋道，通過將凝固的 M-spray 塗層充分潤溼，使其像膠水一樣粘附在物體表面，再通過對其施加強磁場，就可以改變 M-spray 塗層的磁性顆粒的分布方向和排列方向，以實現對微型機器人運動方式的靈活控制。

實驗表明，同一個 M-spray 塗層的毫米級機器人可以在不同運動模式間切換。比如，在寬敞的環境中，可以像毛毛蟲一樣（以三維的運動方式）快速移動；在遇到狹窄的縫隙時，也可以切換到平面運動方式，宛如一支緩慢的協奏曲，慢慢地通過縫隙。

隨時分解，無副作用

研究人員表示，這種可重新編程的驅動特性也有助於「毫米級機器人」定嚮導航至目標。為了探索這種機器人在生物醫學領域中的應用潛力，他們使用了一種可嵌入體內進行疾病治療和手術的導管進行了導航實驗。

實驗證明，帶有 M-spray 塗層的導管可以在血管內進行急速或平穩的轉彎，而且血液流動對 M-spray 塗層導管的運動性和穩定性的影響是有限的。

此外，他們也根據遞送任務和環境的不同，對棉線不同部分的 M-spray 塗層進行了重新編程，進一步實驗表明，M-spray 塗層棉線可以實現快速轉向，並順利通過不規則的狹窄結構空間。

他們表示，從臨床應用的角度來看，這可以防止 M-spray 塗層物體在進入人體過程中遇到意外的窄「通道」。「毫米級機器人在複雜的食管、血管和尿道中運動，始終需要可導航的導管進行操作，而基於任務的重新編程恰好為此提供了廣闊的應用前景。」

這項技術的另一個重要特徵是，M-spray 塗層可以在磁場的操縱下按需分解成粉末。研究人員強調，M-spray 崩解後產生的副作用可以忽略不計。「M-spray的所有原料（即聚乙烯醇、麩質蛋白和鐵微粒）都具有生物相容性，塗層在崩解後產生的粉末可以被人體吸收，或者排洩出去。」

兔胃中的成功案例

為了進一步驗證 M-spray 毫米級機器人的可行性和有效性，研究人員用途有 M-spray 的膠囊在兔子體內進行了試驗。

在給藥過程中，研究人員對兔子進行麻醉後，通過放射成像方法跟蹤 「磁性膠囊」 在兔胃中的位置。當膠囊到達目標區域時，研究人員通過施加磁振蕩再使塗層崩解。「M-spray 的可控崩解特性使得藥物能夠在目標位置釋放，而不是隨機散落在器官中。」

據論文介紹，在 pH 為 1 的強酸性環境下（人體的胃液 PH 值一般為 0.9-1.5），M-spray 塗層會在 8 分鐘左右的時間內開始崩解。但是，研究表明，在 M-spray 塗層表面上再增加一層 PVA，可以使崩解時間延長到 15 分鐘左右，而如果用鎳微粒代替鐵微粒，即使在 30 分鐘後，該塗層仍然可以在強酸性環境中保持穩定。

「我們的實驗結果表明，可以用 M-spray 構建不同的毫米級機器人，以適應各種環境、表麵條件和障礙物。我們希望這種方法能夠促進毫米級機器人在不同領域的開發和應用，比如主動運輸、可移動傳感器和設備，特別是在有限空間內的任務。」 研究人員說。

參考資料：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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