3D打印，20分鐘打造毫米級微型機(jī)器人！

微型機(jī)器人在醫(yī)療中大有用途，如輸送藥物、采集組織樣本，協(xié)助手術(shù)等。近日，多倫多大學(xué)和MIT的兩個(gè)研究都采用磁性材料和3D打印，研發(fā)出可控制的、只有幾毫米大小的微型機(jī)器人。

能夠在體內(nèi)運(yùn)送藥物和幫助醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)的微型機(jī)器人一直是科學(xué)家們的夢想。

但科學(xué)家們目前研發(fā)出來的微型機(jī)器人原型都是剛性的，而且通常很慢，無法即時(shí)響應(yīng)發(fā)給它們的無線指令。

現(xiàn)在，研究人員已經(jīng)開發(fā)出幾毫米大小的微型機(jī)器人，它們可以折疊成無數(shù)種不同的形狀，這讓它們能夠執(zhí)行抓取物品、爬行等操作 —— 使用磁鐵作為遙控器。

論文第一作者徐天啟展示他們研發(fā)的微型機(jī)器人

來自多倫多大學(xué)微型機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的徐天啟 (Tianqi Xu)、Jiachen Zhang、Mohammad Salehizadeh, Onaizah Onaizah 和 Eric Diller 等人近日在 Science Robotics 雜志上發(fā)表了該研究的論文。

使用磁鐵控制的話，機(jī)器人也必須要使用磁性材料，因此以前的磁控微型機(jī)器人是硬質(zhì)的。

為了打造一個(gè)靈活的磁控機(jī)器人，研究人員將磁性元素釹的粒子嵌入到更柔軟的材料中，比如塑料。

研究人員使用一對強(qiáng)力的磁鐵來翻轉(zhuǎn)機(jī)器人特定部位的釹的極性，使它們在磁場中發(fā)生排斥和吸引，從而實(shí)現(xiàn)折疊。然后，他們將紫外線照射在這些部位上，固化嵌入在里面的材料，并將它們鎖定在特定的位置。

研究人員給機(jī)器人編程，使其能夠通過控制不同部位的極性來進(jìn)行 3D 運(yùn)動，如抓取、爬行和游泳。

機(jī)器人能夠折疊：

爬行

游動

機(jī)器人能夠折疊抓、爬行、游動等

為了協(xié)助外科手術(shù)或在人體內(nèi)運(yùn)送藥物，未來的機(jī)器人將需要放棄有毒性的釹，轉(zhuǎn)而使用鐵等危險(xiǎn)性較低的金屬。研究人員表示，使用鐵等金屬仍然可以讓機(jī)器人工作，但可能需要更強(qiáng)的磁鐵來操縱。除了醫(yī)療應(yīng)用外，這些機(jī)器人還可以被用于小型工廠生產(chǎn)微型的產(chǎn)品。

3D 打印，僅需 20 分鐘打造，游戲手柄控制

過去，組裝一個(gè)微型機(jī)器人需要一對尖嘴鑷子、一臺顯微鏡，需要研究人員穩(wěn)定的雙手，以及至少 8 個(gè)小時(shí)的操作時(shí)間。但多倫多大學(xué)的這個(gè)研究采用 3D 打印技術(shù)，僅需 20 分鐘即可打造出磁性毫米級微型機(jī)器人。

3D打印微型機(jī)器人所需的物理材料

多倫多大學(xué)微型機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室由 Eric Diller 教授領(lǐng)導(dǎo)，他們開發(fā)的磁性微型機(jī)器人只有針尖大小，可以穿過充滿液體的血管和人體內(nèi)的器官。

Diller 和他的團(tuán)隊(duì)利用磁場，無線控制這些機(jī)器人的運(yùn)動。

實(shí)驗(yàn)中使用一個(gè)游戲手柄來控制微型機(jī)器人的運(yùn)動

每個(gè)微型機(jī)器人都由幾個(gè)扁平柔性材料的 “薄片” 組成，上面精確地排列著磁針。

組裝完畢之后，研究人員就利用磁場誘導(dǎo)機(jī)器人，讓機(jī)器人像蠕蟲一樣在流體通道中移動，或者將其微小的 “夾片” 合起來，從而能夠采集組織樣本。

機(jī)器人抓取了一個(gè)薄片(綠色)并運(yùn)動

論文一作徐天啟表示：“微型機(jī)器人制造起來相當(dāng)困難，而且需要高強(qiáng)度的工作，因?yàn)橹圃爝@種機(jī)器人需要十分精確。此外，由于需要手工裝配，讓機(jī)器人變小就更加困難了，這也是我們的研究的主要目的?！?/p>

徐天啟和他的同事們開發(fā)的這種自動化方法，大大減少了設(shè)計(jì)和制造時(shí)間，并擴(kuò)大了可以制造的微型機(jī)器人的種類。

為了驗(yàn)證他們的新技術(shù)的能力，研究人員設(shè)計(jì)了 20 多種不同的機(jī)器人形狀，然后將其編程到 3D 打印機(jī)。然后打印機(jī)構(gòu)建并固化設(shè)計(jì)，磁性顆粒定向是這個(gè)過程的一部分。

這種新的優(yōu)化方法為開發(fā)比目前的毫米規(guī)模更小、更復(fù)雜的微型機(jī)器人打開了大門。Diller 說：“我們相信，有朝一日可以將機(jī)器人的尺寸再縮小 10 倍?！?/p>

研究細(xì)節(jié)：設(shè)計(jì)、材料和方法

圖1：用于圖案化離散3D磁化的系統(tǒng)示意圖。（A）用于在UV可固化彈性體基質(zhì)復(fù)合材料中圖案化永磁顆粒的物理設(shè)備。DOF：自由度。（B）實(shí)驗(yàn)測量的最大交聯(lián)厚度相對于磁性顆粒濃度。誤差條表示SD。（C）具有水平和垂直磁化分量的雙層結(jié)構(gòu)的示意圖。黃色箭頭表示在每個(gè)塊中的磁化方向。（D）雙層結(jié)構(gòu)的頂視圖圖像。單位比例尺代表實(shí)際長度2毫米。（E）使用磁光傳感器分別在各層的近表面處測量的面外磁通分布。利用獨(dú)立制造的兩層拍攝磁光圖像以更好地可視化磁化分布。

圖2：具有分布式3D磁化分布的柔性磁平面結(jié)構(gòu)。黃色箭頭表示局部磁化的方向，綠色箭頭表示致動磁場的方向。材料厚約80微米?！笆诛L(fēng)琴”的驅(qū)動磁場為200 mT，其他所有磁場均小于20 mT。所有組件都可以在原始形狀和折疊形狀之間進(jìn)行快速可逆轉(zhuǎn)換。

圖3 用于預(yù)測形變的模型和在3D環(huán)境下調(diào)整制造角度組件。（A）側(cè)視圖像顯示出在20mT磁場下的大角度偏轉(zhuǎn)。（B）大角度偏轉(zhuǎn)的數(shù)值模型。（C）側(cè)視圖顯示20mT磁場下環(huán)的波動彎曲。（D）使用有限元法進(jìn)行模擬。（E）三臂結(jié)構(gòu)的幾何形狀，尺寸和磁化分布。單位：mm。（F）具有不同磁化分布的三臂結(jié)構(gòu)的俯視圖。比例尺：2mm。

圖4：毫米級分段磁性swimmer。（A）三種類型swimmer的磁化曲線。長L為4.5毫米。（B）模擬swimmer的TWC分析。藍(lán)色標(biāo)記表示每個(gè)階段的形變，黃色虛線表示一個(gè)周期中的等效形變圓。（C）swimmer在不同條件下的實(shí)驗(yàn)游泳速度。實(shí)心三角形代表六個(gè)樣本的平均值，誤差條代表SD。（D）在一個(gè)過程中由相同前體制造的分段swimmer。比例尺：1mm。（E）磁性swimmer的追蹤路徑。（F）磁性swimmer的路徑跟隨誤差。

圖5：非束縛性多臂磁性微夾鉗。（A）磁性微夾鉗的幾何形狀，磁化曲線和工作結(jié)構(gòu)。黑色箭頭表示每個(gè)組件的局部磁化方向，藍(lán)色箭頭表示驅(qū)動磁場。（B）貨物運(yùn)輸任務(wù)示意圖。（C）在硅油中貨物運(yùn)輸任務(wù)的俯視圖和側(cè)視圖。硅油用于提升體重并減緩?qiáng)A具的形變，使開環(huán)控制更容易。比例尺，5mm。（D）不同場強(qiáng)下不同微夾鉗的特寫圖像。比例尺：2mm。

圖6 多足槳式爬行機(jī)器人。（A）槳式爬行機(jī)器人的圖像和磁化曲線。局部磁化用黑色箭頭表示。當(dāng)標(biāo)記為G1的腿執(zhí)行動力沖程時(shí)，標(biāo)記為G2的腿執(zhí)行恢復(fù)沖程，反之亦然。比例尺，2毫米。（B）側(cè)面步態(tài)的示意圖。（C）不同階段的機(jī)器人的俯視圖。（D）微通道示意圖。通道的橫截面為4.7毫米×1.0毫米。（E）俯視圖，顯示機(jī)器人在填充有硅油的微通道中的運(yùn)動。硅油用于提升體重并減慢機(jī)器人的行程運(yùn)動，使攝像機(jī)能夠清晰地捕捉到運(yùn)動。水中的沖程運(yùn)動和機(jī)器人的速度相對更快。比例尺：4mm。

圖7 用于激光轉(zhuǎn)向的非受限型磁鏡安裝座。（A）鏡架圖，中間裝有一個(gè)小鏡子。該結(jié)構(gòu)的磁化分布如圖2L所示。比例尺：2mm。（B）激光轉(zhuǎn)向?qū)嶒?yàn)示意圖。（C）實(shí)驗(yàn)中使用的線圈系統(tǒng)。（D）激光的目標(biāo)軌跡（橙色）和實(shí)驗(yàn)軌跡（藍(lán)色）。T形和星形軌跡的跟蹤頻率分別為0.5Hz和0.2Hz。

圖8 不同樣品近表面的磁通量分布。以及沿（A）六臂磁性微夾鉗（前），（B）六臂磁微夾鉗（后），（C）折疊結(jié)構(gòu)（D）多足槳式爬行機(jī)器人。數(shù)據(jù)收集自距樣品表面60μm處，使用最小二乘擬合將模型中的磁化強(qiáng)度擬合到測量數(shù)據(jù)中。（E）帶有磁二維碼“UofT”的聚合物薄片。比例尺：2mm。（F）為相對于（E）的二維碼樣品的表面處測得的磁通量。

MIT磁控微型機(jī)器人，可用于運(yùn)送藥物

未來的醫(yī)學(xué)應(yīng)用需要更小、更復(fù)雜的微型機(jī)器人，例如進(jìn)行靶向藥物運(yùn)送、輔助受精或活體組織檢查。

比如，如果醫(yī)療應(yīng)用需要在泌尿道或大腦的液腔中采集組織樣本，手術(shù)機(jī)器人必定要求尺寸更小。

采用磁性來控制，是微型機(jī)器人研究一個(gè)有前景的趨勢。這方面另一個(gè)引人矚目的研究來自MIT的工程師，他們設(shè)計(jì)了一種微型機(jī)器人，可以通過病人的血液中向病灶區(qū)域輸送納米級的藥物顆粒，使藥物能夠進(jìn)入腫瘤或其他病灶區(qū)域。

研究人員受到細(xì)菌的推進(jìn)和運(yùn)動方式的啟發(fā)，打造出的磁性微型機(jī)器人有助于克服納米粒子輸藥的最大障礙之一：如何讓粒子離開血管并集聚在正確的位置。

這個(gè)微型送藥機(jī)器人只有0.35毫米大小，可以通過外部磁場來控制。這種受生物學(xué)啟發(fā)的機(jī)器人被研究人員稱為“人造細(xì)菌鞭毛”，由一種微小的螺旋結(jié)構(gòu)組成，類似于細(xì)菌推進(jìn)自身運(yùn)動的鞭毛。這些機(jī)器人使用高分辨率3D打印機(jī)進(jìn)行打印，然后涂上鎳，使其具有磁性。

為了測試單個(gè)機(jī)器人控制附近納米粒子的能力，研究人員打造了一種模擬腫瘤周圍血管的微流系統(tǒng)，系統(tǒng)中的通道寬度在50到200微米之間，通道內(nèi)側(cè)涂有凝膠，上面開了孔，以模擬腫瘤附近的破裂血管。

研究人員向機(jī)器人施加外部磁場，使其旋轉(zhuǎn)并在通道中游動。研究人員表示，這種機(jī)器人可用于供藥，以減輕支架周邊部位的炎癥。