Science Advances: 毫米级爬壁软体机器人

2022-06-24 03:06

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无线驱动的微型机器人有望突破传统大型机器人的局限，完成以往难以完成的任务如递送药物，进行组织活检等等，尤其在微创生物医疗领域有着广阔的前景。但是，人体内部环境十分复杂，对机器人的运动能力带来很多挑战。例如，人体的消化道和呼吸道组织表面被一层粘液所覆盖，如何提供足够的摩擦力和粘附力，以及如何实现可控的附着和脱离对微型机器人的设计和控制带来很大挑战。

世界上第一个可在组织表面攀爬的毫米级软体机器人‍

德国马克斯普朗克智能系统研究所及美国范德堡大学联合研制出拥有柔软、灵活的身体和特殊双足的微型机器人（图一），这种机器人可以沿着潮湿、光滑的肺部和肠道内壁攀爬，它们有朝一日可以在难以到达的人体内部运输药物、生物电子传感器，以及进行活检，通过微创医疗应用造福人类（图二）。论文以“Wireless soft millirobots for climbing three-dimensional surfaces in confined spaces”为题发表在Science Advances上。

图一.毫米级爬壁软体机器人。机器人超薄（约150 微米），机身长3.7毫米，宽1.5毫米。

图二. 可运输货物的毫米级爬壁软体机器人

这款新型毫米级软体机器人超薄（约150 微米），机身长3.7毫米，宽1.5毫米。它的脚可以粘附在器官组织表面而不会失去附着力。机器人可以抵抗来自呼吸和消化过程中组织运动，甚至可以在体内液体冲过表面时紧贴组织表面。研究人员使用一台自主开发的磁场驱动设备来控制机器人在动物器官内的运动。作为论文的并列第一作者及概念提出者，在美国田纳西州范德堡大学任机械工程系助理教授的董晓光博士说，由于机器人的身体是由具有磁性的橡胶制成的，它的双足经过特别设计可以粘附在组织表面，机器人可以在外界磁场的驱动下弯曲变形，同时机器人的姿态可以得到精确控制进而实现可控的攀爬（图三）。

图三. 可运输货物的毫米级爬壁软体机器人的设计与制造

全新的攀爬机制：软体形变实现精确剥离和粘附

董晓光博士说，他们的团队首先尝试设计及制造可以插入粘液内部及粘附到组织表面的机器人双足，他们的灵感来自一些肠道寄生虫自身附着的方式。但是，如何实现较高高粘附性的同时又能让机器人从组织上可控脱离是一个挑战。

图四. 左图：钩虫。中图：带刺的植物毛刺。图片来源于网络。右图：具有仿生双足且可运输货物的毫米级爬壁软体机器人。

他们的团队另辟蹊径，进一步受到多刺植物毛刺的启发，该团队为机器人配备了带尖刺的双足（图四），与此同时，他们提出一种全新的机制--利用微型机器人整个机身的旋转来实现可控的附着及脱离（图五）。

图五. 毫米级爬壁软体机器人的核心攀爬机制

一旦一只脚落下，机器人就会将另一只脚拉离地面并翻转身体以迈出“一步”——他们称之为剥离和加载的机制。当覆盖一层薄薄的壳聚糖（一种存在于虾壳中的物质）时，足部的“微尖刺”会增加足够的摩擦力和粘性，使足部能够紧贴猪肺和消化道（包括支气管）内的粘液层管、食道、胃和肠——然后拉开以迈出新的一步。这种攀爬机制的鲁棒性非常好，即便存在肠胃蠕动也可以稳定攀爬（图六）。

图六. 攀爬于猪消化道及呼吸道的毫米级磁场驱动软体机器人

增大附着力及减小阻力的核心机制：设计“粘”与“不粘”

德国马克斯普朗克研究所的并列第一作者吴英丹说，通过设计机器人身体表面特性使其具有既疏水又疏油的特性，可以使得机器人抵抗较大的流体阻力进而提高其在组织表面的停留时间。在一系列实验室测试中，研究人员发现机器人可以继续攀爬并紧贴非常滑且分布着褶皱的生物组织，即使组织发生运动或用水冲洗机器人也是如此（图七）。

图七. 可以抵抗水流的毫米级爬壁软体机器人

超强适应性：可“上山”、“下海”的多模态运动

德国马克斯普朗克智能系统研究所的Metin Sitti说，这款微型机器人的一个非常重要的设计是，除了攀爬三维空间表面，它还同时具有多种运动模态（图八）。例如，这款机器人可以在固态表面翻滚及行走，在狭窄空间爬行，在液体表面及内部游泳，等等。这进一步提升了其在人体复杂环境下的适应能力。

图八. 可翻滚，行走，爬行，游泳及攀爬的多运动模态

精准微创医疗：定点可控的药物释放能力

最后，这款机器人可以承载三倍于自身体积和二十倍于自身重量的“货物”。它还可以通过其双足上的微尖刺释放微小的药物颗粒。因为微尖刺只粘在粘液层上，它们不会对组织本身造成损害。结合一种生物兼容的水凝胶材料，机器人可以响应特定的pH而完成药物的定点及可控释放。

图九. 毫米级爬壁软体机器人的生物医疗应用：响应特定pH的定点可控药物释放。

总结及未来展望

这款新型可攀爬潮湿组织表面的毫米级磁场驱动软体机器人代表了软机器人技术的一个重要里程碑。以前的毫米级机器人可以沿着生物组织行走、滚动、游泳、跳跃和爬行，但它无法在体内复杂的3D表面攀爬，这对于到达心脏、肺和消化系统内难以进入的区域至关重要。未来工作将会集中于集成医疗成像定位，以完成药物释放，活检等一系列微创医疗功能。

论文信息：

Wu, Y., Dong, X., Kim, J.K., Wang, C. and Sitti, M., 2022. Wireless soft millirobots for climbing three-dimensional surfaces in confined spaces. Science Advances, 8(21), p.eabn3431. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn3431

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