分解成更小的單元并重新組裝!新型軟體機(jī)器人未來可用于靶向藥物輸送

想象一下軟機(jī)器人在人體內(nèi)移動(dòng)，旨在將藥物輸送到小腸中的某些細(xì)胞。由于在人體內(nèi)部運(yùn)行的不同通道大小不一，因此機(jī)器人總是有可能卡在過于狹窄或擁擠的通道或空間中。在這種情況下，機(jī)器人可能無法提供藥物，甚至?xí)⑺幬镝尫诺讲粦?yīng)該釋放的地方，從而導(dǎo)致進(jìn)一步的并發(fā)癥。

但是，如果軟體機(jī)器人有能力分裂成更小的單元，穿過人體內(nèi)更小的空間，當(dāng)通道足夠?qū)挄r(shí)又變得完整呢？據(jù)《新科學(xué)家》報(bào)道，研究人員成功地創(chuàng)造了這種獨(dú)特的軟機(jī)器人。它被稱為可規(guī)模重構(gòu)的微型鐵磁流體機(jī)器人（SMFR），好的地方是——研究人員可以使用磁鐵控制它的運(yùn)動(dòng)。

開發(fā) SMFR 的團(tuán)隊(duì)成員來自臺(tái)灣東吳大學(xué)、中國哈爾濱工業(yè)大學(xué)和德國馬克斯普朗克智能系統(tǒng)研究所的研究人員?？芍貥?gòu)軟機(jī)器人是使用油基鐵磁流體液滴構(gòu)建的，該液滴主要包括浸在烴油中的氧化鐵納米顆粒。就像一塊固體鐵一樣，鐵磁流體也對(duì)磁鐵和磁場(chǎng)有反應(yīng)。

由于鐵磁流體易于控制，并且在快速運(yùn)動(dòng)時(shí)具有很大的靈活性，因此科學(xué)家們通常更喜歡使用它們來生產(chǎn)變形的軟機(jī)器人。2015 年，韓國的一組研究人員創(chuàng)造了能夠模仿變形蟲運(yùn)動(dòng)的鐵磁流體軟機(jī)器人。亞利桑那州立大學(xué)的另一組研究人員在 2021 年使用鐵磁流體開發(fā)了一種微型變形機(jī)器人。

構(gòu)成像 SFMR 這樣的液體機(jī)器人的鐵磁流體粒子彼此松散地結(jié)合在一起。這種松散的連接使機(jī)器人可以輕松地通過狹窄的通道，調(diào)整其形狀，甚至在磁場(chǎng)的影響下分裂。在研究期間，研究人員通過在迷宮中測(cè)試 SFMR 證明了這些能力。

迷宮包含了狹窄而復(fù)雜的通道、急轉(zhuǎn)彎和障礙物。然而，機(jī)器人通過變形、收縮、拉長和重新組裝的方式，根據(jù)其路徑的不同要求，通過了迷宮。使用多個(gè)磁場(chǎng)，研究人員能夠?qū)?SFMR 拆分為所需數(shù)量的單元，在需要時(shí)將它們重新組合成一個(gè)，并輕松控制其所有其他功能。

研究人員認(rèn)為，SFMR 展示了一種獨(dú)特的能力組合，如容易變形、輕松的規(guī)模重構(gòu)和快速運(yùn)動(dòng)。這些品質(zhì)可以將機(jī)器人變成生物醫(yī)學(xué)和微組裝相關(guān)領(lǐng)域的一項(xiàng)偉大技術(shù)。

該研究的作者在論文中寫道：“在相對(duì)寬闊的工作空間中，可以通過縱向擴(kuò)展策略，通過將它們做大來提高 SMFR 的任務(wù)執(zhí)行能力和效率；但是，當(dāng)遇到極其狹窄和受限的環(huán)境時(shí)，可以擴(kuò)展通過分裂策略將它們分成一個(gè)群，使它們非常適合在人體內(nèi)橫截面尺寸急劇變化的管狀或狹縫狀管腔結(jié)構(gòu)中導(dǎo)航?！?/span>

像 SFMR 這樣的軟機(jī)器人可以產(chǎn)生能夠?qū)⑺幬镙斔偷饺梭w部位的應(yīng)用，而這些部位原本是無法接觸到的。例如，據(jù)研究人員稱，在將藥物輸送到腦細(xì)胞或顱骨等身體部位時(shí)，SFMR 可以比傳統(tǒng)的軟機(jī)器人更精確地執(zhí)行此類任務(wù)。

此外，SMFR 還可以在開發(fā)先進(jìn)的基于芯片的病毒檢測(cè)設(shè)備方面發(fā)揮重要作用。研究人員還透露，鐵磁流體可以產(chǎn)生許多不同大小的 SFMR。然而，它仍然是一項(xiàng)發(fā)展中的技術(shù)，需要做很多工作來開發(fā)先進(jìn)的基于磁體的控制系統(tǒng)，以進(jìn)一步提高 SFMR 的性能和精度。

作者指出，“實(shí)現(xiàn)一些面向應(yīng)用的任務(wù)，例如基于 SMFR 的靶向貨物輸送、精確的局部磁熱療或腫瘤血管的選擇性閉塞，也將引起極大的興趣，因此也是未來研究的另一個(gè)潛在方向。”

磁性微型軟機(jī)器人通過大限度地減少侵入性和可能的物理損傷，顯示出促進(jìn)生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的巨大潛力。然而，研究人員主要關(guān)注固定尺寸的機(jī)器人，只有當(dāng)這些受限空間的橫截面尺寸與機(jī)器人的橫截面尺寸相當(dāng)時(shí)，它們才能進(jìn)行主動(dòng)運(yùn)動(dòng)。

在這里，我們實(shí)現(xiàn)了基于鐵磁流體液滴的規(guī)?？芍貥?gòu)微型鐵流體機(jī)器人（SMFR），并通過設(shè)計(jì)多尺度磁微型機(jī)器人驅(qū)動(dòng)（M3RA）系統(tǒng)，提出了一系列重新配置SMFR規(guī)模和變形以實(shí)現(xiàn)跨尺度運(yùn)動(dòng)控制的控制策略。結(jié)果表明，從厘米到幾微米不等的 SMFR，利用了多種能力，例如在結(jié)構(gòu)化環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)，變形以擠壓間隙，甚至可逆的比例重新配置以導(dǎo)航急劇變化的空間。結(jié)合這些能力的微型機(jī)器人系統(tǒng)有望應(yīng)用于未來人體受限區(qū)域內(nèi)的無線醫(yī)療機(jī)器人。