中國(guó)科學(xué)家成功開(kāi)發(fā)出制造毫米級(jí)機(jī)器人的簡(jiǎn)單方法

1987 年，美國(guó)科幻大片《驚異大奇航》（Innerspace）首次向我們展示了科學(xué)家對(duì)納米機(jī)器人的最早構(gòu)想，在電影情節(jié)中，縮小至幾納米的人或飛船被注射進(jìn)人體后，這些特殊的微小 “探險(xiǎn)者” 便在人身體內(nèi)部開(kāi)始了一場(chǎng)驚險(xiǎn)旅行。

近年來(lái)，微型機(jī)器人在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)得到了快速發(fā)展。設(shè)想一個(gè)場(chǎng)景，當(dāng)你出現(xiàn)感冒或胃疼等病癥時(shí)，醫(yī)生僅僅使用一個(gè)小小的納米機(jī)器人，就可以深入你的體內(nèi)并探測(cè)出病毒源頭，然后進(jìn)行針對(duì)性靶向治療，將病毒迅速、精準(zhǔn)殲滅。

近日，中國(guó)科學(xué)家成功開(kāi)發(fā)出了一種制造毫米級(jí)機(jī)器人（Millirobots）的簡(jiǎn)單方法。該方法只需要通過(guò)將類似膠水的磁性噴霧劑噴在物體表面，就可以快速制造出一種運(yùn)動(dòng)可控且靈活的毫米級(jí)機(jī)器人。利用這種方法，在磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，被涂抹后的物體可以在不同表面上爬行、行走或滾動(dòng)。

該研究項(xiàng)目由香港城市大學(xué)（CityU）生物醫(yī)學(xué)工程系副教授申亞京博士領(lǐng)銜，并與中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院（SIAT）聯(lián)合推進(jìn)，研究成果以 “An agglutinate magnetic spray transforms inanimate objects into millirobots for biomedical applications” 為題，于 11 月 19 日在線發(fā)表在科學(xué)雜志《科學(xué)機(jī)器人》（Science Robotics）上。

研究人員表示，這種磁性涂層具有生物相容性，而且在必要時(shí)可以分解成粉末，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，比如導(dǎo)管導(dǎo)航和藥物輸送等，表現(xiàn)出了一定的應(yīng)用潛力。

穿上“磁性外衣”，秒變微型機(jī)器人

近年來(lái)，隨著微電子技術(shù)的高速發(fā)展，科學(xué)家在微型機(jī)器人的尺寸設(shè)計(jì)上不斷取得新的突破，毫米級(jí)、微米級(jí)甚至是納米級(jí)的微型機(jī)器人全部進(jìn)入大眾視線。微型機(jī)器人以其嬌小的身軀，在軍事監(jiān)控、小空間作業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，都表現(xiàn)出了比傳統(tǒng)機(jī)器人更加優(yōu)越的性能。
在這項(xiàng)研究工作中，研究人員既不需要提升電子設(shè)計(jì)的集成度，也不用考慮機(jī)器人外殼材質(zhì)如何選取，只需通過(guò)給物體涂上一種名為 M－spray 的復(fù)合膠狀磁性噴霧劑（composited glue－like magnetic spray），就可以快速構(gòu)建大量毫米級(jí)機(jī)器人。

對(duì)此，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(jī)器人，并控制它們的運(yùn)動(dòng)軌跡。我們研發(fā)的 M－spray 可以粘在目標(biāo)物體上，并且在磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下 ‘激活’ 物體?！?br />
據(jù)論文介紹，M－spray 由聚乙烯醇（PVA）、麩質(zhì)蛋白（Gluten）和鐵微粒（Iron Particles）組成，可以在瞬間穩(wěn)固地粘附在一維、二維或三維物體的表面上，無(wú)論這個(gè)表面是粗糙還是光滑。

研究人員首先在物體上涂上 M－spray，然后使用單一的或多個(gè)磁化方向?qū)ζ溥M(jìn)行磁化，以實(shí)現(xiàn)通過(guò)磁場(chǎng)對(duì)物體移動(dòng)方式的控制，最后對(duì)物體進(jìn)行加熱，直到涂層凝固。盡管 M－spray 涂在物體表面形成的薄膜厚度只有 0．1－0．25mm 左右，但這種涂層足以保持物體原有的尺寸、形狀和結(jié)構(gòu)。

這樣一來(lái)，在磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，物體就可以變成具有不同運(yùn)動(dòng)模式的毫米級(jí)機(jī)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(jìn)行爬行、翻轉(zhuǎn)、行走和滾動(dòng)等運(yùn)動(dòng)。
該研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)分別為棉線（1D）、折紙（2D 平面）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜（2D 曲面／軟面）和塑料管（3D 圓形物體）噴涂 M－spray，使其轉(zhuǎn)化為了軟體爬行機(jī)器人、多足機(jī)器人、行走機(jī)器人和滾動(dòng)機(jī)器人。

“按需編程”的機(jī)器人

當(dāng)前，無(wú)論是醫(yī)療診斷機(jī)器人、管道檢測(cè)機(jī)器人，還是昆蟲(chóng)式機(jī)器人等，在設(shè)計(jì)之初，其結(jié)構(gòu)、用途、控制運(yùn)動(dòng)的程序均已確定，其靈活性受到了嚴(yán)重的制約。該論文所描述的這種方法就突破了當(dāng)前微型機(jī)器人的瓶頸，其特別之處在于，研究人員可以按需對(duì)微型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模式進(jìn)行重新編程。
此外，研究人員解釋道，通過(guò)將凝固的 M－spray 涂層充分潤(rùn)濕，使其像膠水一樣粘附在物體表面，再通過(guò)對(duì)其施加強(qiáng)磁場(chǎng)，就可以改變 M－spray 涂層的磁性顆粒的分布方向和排列方向，以實(shí)現(xiàn)對(duì)微型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式的靈活控制。

實(shí)驗(yàn)表明，同一個(gè) M－spray 涂層的毫米級(jí)機(jī)器人可以在不同運(yùn)動(dòng)模式間切換。比如，在寬敞的環(huán)境中，可以像毛毛蟲(chóng)一樣（以三維的運(yùn)動(dòng)方式）快速移動(dòng)；在遇到狹窄的縫隙時(shí)，也可以切換到平面運(yùn)動(dòng)方式，宛如一支緩慢的協(xié)奏曲，慢慢地通過(guò)縫隙。

隨時(shí)分解，無(wú)副作用

研究人員表示，這種可重新編程的驅(qū)動(dòng)特性也有助于“毫米級(jí)機(jī)器人”定向?qū)Ш街聊繕?biāo)。

為了探索這種機(jī)器人在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用潛力，他們使用了一種可嵌入體內(nèi)進(jìn)行疾病治療和手術(shù)的導(dǎo)管進(jìn)行了導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)證明，帶有 M－spray 涂層的導(dǎo)管可以在血管內(nèi)進(jìn)行急速或平穩(wěn)的轉(zhuǎn)彎，而且血液流動(dòng)對(duì) M－spray 涂層導(dǎo)管的運(yùn)動(dòng)性和穩(wěn)定性的影響是有限的。

此外，他們也根據(jù)遞送任務(wù)和環(huán)境的不同，對(duì)棉線不同部分的 M－spray 涂層進(jìn)行了重新編程，進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明，M－spray 涂層棉線可以實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)向，并順利通過(guò)不規(guī)則的狹窄結(jié)構(gòu)空間。

他們表示，從臨床應(yīng)用的角度來(lái)看，這可以防止 M－spray 涂層物體在進(jìn)入人體過(guò)程中遇到意外的窄“通道”?！昂撩准?jí)機(jī)器人在復(fù)雜的食管、血管和尿道中運(yùn)動(dòng)，始終需要可導(dǎo)航的導(dǎo)管進(jìn)行操作，而基于任務(wù)的重新編程恰好為此提供了廣闊的應(yīng)用前景。”

這項(xiàng)技術(shù)另一個(gè)重要特征是，M－spray 涂層可以在磁場(chǎng)的操縱下按需分解成粉末。研究人員強(qiáng)調(diào)，M－spray 崩解后產(chǎn)生的副作用可以忽略不計(jì)?！癕－spray的所有原料（即聚乙烯醇、麩質(zhì)蛋白和鐵微粒）都具有生物相容性，涂層在崩解后產(chǎn)生的粉末可以被人體吸收，或者排泄出去?！?br />
兔胃中的成功案例

為了進(jìn)一步驗(yàn)證 M－spray 毫米級(jí)機(jī)器人的可行性和有效性，研究人員用涂有 M－spray 的膠囊在兔子體內(nèi)進(jìn)行了試驗(yàn)。

在給藥過(guò)程中，研究人員對(duì)兔子進(jìn)行麻醉后，通過(guò)放射成像方法跟蹤 “磁性膠囊” 在兔胃中的位置。當(dāng)膠囊到達(dá)目標(biāo)區(qū)域時(shí)，研究人員通過(guò)施加磁振蕩再使涂層崩解?！癕－spray 的可控崩解特性使得藥物能夠在目標(biāo)位置釋放，而不是隨機(jī)散落在器官中?！?br />
據(jù)論文描述，在 pH 為 1 的強(qiáng)酸性環(huán)境下（人體的胃液 PH 值一般為 0．9－1．5），M－spray 涂層會(huì)在 8 分鐘左右的時(shí)間內(nèi)開(kāi)始崩解。但是，研究表明，在 M－spray 涂層表面上再增加一層 PVA，可以使崩解時(shí)間延長(zhǎng)到 15 分鐘左右，而如果用鎳微粒代替鐵微粒，即使在 30 分鐘后，該涂層仍然可以在強(qiáng)酸性環(huán)境中保持穩(wěn)定。

“我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，可以用 M－spray 構(gòu)建不同的毫米級(jí)機(jī)器人，以適應(yīng)各種環(huán)境、表面條件和障礙物。我們希望這種方法能夠促進(jìn)毫米級(jí)機(jī)器人在不同領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，比如主動(dòng)運(yùn)輸、可移動(dòng)傳感器和設(shè)備，特別是在有限空間內(nèi)的任務(wù)。”