一種基于磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的軟體微型機(jī)器人

這是60年前，物理學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)得主費(fèi)曼先生的幻想，現(xiàn)在，體內(nèi)的“外科醫(yī)生”已成為現(xiàn)實(shí)——微型機(jī)器人。具有主動(dòng)轉(zhuǎn)向能力的遙控微型機(jī)器人在醫(yī)療應(yīng)用中具有廣闊的前景。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，最近，北京理工大學(xué)研究人員研究人員開發(fā)出一種基于磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的軟體微型機(jī)器人，直徑只有200μm，不僅能憑借出色的控制和轉(zhuǎn)向能力模擬在血管中“跑酷”，還能操作微型物體！相關(guān)研究成果發(fā)表在Cyborg and Bionic Systems期刊上。

讓微型機(jī)器人動(dòng)起來(lái)，這是第一步。然而這并不容易，因?yàn)樵谖⒂^世界里，很多物理定律與在宏觀世界里不一樣，微尺度狹窄空間內(nèi)的物體由于強(qiáng)大的粘附力作用，很難自由地運(yùn)動(dòng)。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究人員使用了磁驅(qū)動(dòng)方法，其原理如下：所有帶磁性的物體在勻強(qiáng)的磁場(chǎng)下，都會(huì)受到轉(zhuǎn)動(dòng)力，讓它本身磁矩的方向與磁場(chǎng)方向同向。

為了給機(jī)器人上磁，研究人員將釹鐵硼顆粒和柔軟的有機(jī)硅PDMS材料結(jié)合，制成微型軟體機(jī)器人，并在表面覆蓋了一層生物相容性的水凝膠層，這樣不僅克服了微型物體與機(jī)器人軟尖端之間的粘附力，還可降低微型機(jī)器人與基板之間的摩擦力，另外還可減小對(duì)生物目標(biāo)的傷害。

磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由一對(duì)垂直電磁鐵組成，微型機(jī)器人根據(jù)磁場(chǎng)進(jìn)行轉(zhuǎn)向和振動(dòng)移動(dòng)，由于機(jī)器人是軟的，可以靈活彎曲身體，這使其能夠在復(fù)雜的分叉環(huán)境中靈活轉(zhuǎn)向。

為了測(cè)試微型機(jī)器人能否在血管里“跑酷”，?研究人員采用3D打印工藝制作了一個(gè)寬度為800μm的微流控通道，測(cè)試機(jī)器人在分叉管道中的轉(zhuǎn)向和運(yùn)動(dòng)能力。

在整個(gè)過(guò)程中，利用不同方向的磁場(chǎng)來(lái)控制微型機(jī)器人的轉(zhuǎn)向，時(shí)變磁場(chǎng)可以讓微型機(jī)器人振動(dòng)起來(lái)，從而消除與環(huán)境之間的粘附力，同時(shí)推動(dòng)前端，讓機(jī)器人向前運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)微型機(jī)器人遇到分叉時(shí)，研究人員通過(guò)控制電磁鐵，產(chǎn)生平行于目標(biāo)路徑的磁場(chǎng)，使微型機(jī)器人的尖端指向該方向。

此外，微型機(jī)器人還可以操縱微型物體，研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)“搬珠子”游戲，在通道中隨機(jī)放置了5個(gè)微珠，通道還包含幾個(gè)凹槽，微型機(jī)器人可以通過(guò)磁場(chǎng)控制，穿過(guò)層層迷宮將目標(biāo)珠子“搬”入目標(biāo)凹槽中，該任務(wù)僅需數(shù)分鐘就可完成。

在醫(yī)學(xué)應(yīng)用里，微型機(jī)器人可以作為藥物的載體，在人體內(nèi)把藥物送到它需要的地方，即“靶向治療”，也可以成為一把“手術(shù)刀”，直接進(jìn)入血管把血栓溶碎，然后帶出來(lái)，解決血栓的問(wèn)題。然而，想讓微型機(jī)器人真正應(yīng)用到體內(nèi)，還有較長(zhǎng)的路要走。

北京理工大學(xué)研究人員開發(fā)的這款軟體微型機(jī)器人能夠在復(fù)雜“迷宮”里自如運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)彎，并且操縱微型物體，這證明了該微型機(jī)器人具有巨大的血管內(nèi)操作潛力，未來(lái)，研究人員計(jì)劃進(jìn)一步減小微型機(jī)器人的尺寸，并提高其控制精度。

論文鏈接

https://doi.org/10.34133/2022/9850832

審核編輯 ：李倩