研究人員正在開(kāi)始探索微型機(jī)器人系統(tǒng)在人體中的作用

由在開(kāi)姆尼茨理工大學(xué)（TU Chemnitz）和萊布尼茨IFW德累斯頓工作的奧利弗·施密特（Oliver Schmidt）博士領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際研究小組最近開(kāi)發(fā)了一種微軌道系統(tǒng)，具有廣泛的應(yīng)用范圍，可以完成從微外科手術(shù)到向人類運(yùn)送貨物的所有工作。該機(jī)器人在《Nature Electronics》上發(fā)表的一篇論文中提出，它基于將近十年前同一研究團(tuán)隊(duì)提出的想法。

施密特說(shuō)：“我們首先開(kāi)始探索創(chuàng)建微型機(jī)器人系統(tǒng)的想法，該系統(tǒng)由功能強(qiáng)大的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)自行驅(qū)動(dòng)，并在船上裝有微電子組件。我們最初的想法是建立一個(gè)能夠與單個(gè)生物細(xì)胞相互作用的智能自推進(jìn)微系統(tǒng)，該單個(gè)生物細(xì)胞的大小與微系統(tǒng)本身相似。該系統(tǒng)應(yīng)該能夠移動(dòng)，感知環(huán)境，運(yùn)輸貨物，運(yùn)送藥物并攜帶進(jìn)行顯微手術(shù)?！?/p>

自從施密特（Schmidt）和他的同事們首次提出微機(jī)器人系統(tǒng)的概念以來(lái)，他們的團(tuán)隊(duì)和世界各地的其他幾個(gè)人就嘗試創(chuàng)建類似的技術(shù)，主要是在體外。然而，事實(shí)證明，在人體內(nèi)部實(shí)施此類系統(tǒng)更具挑戰(zhàn)性。實(shí)際上，為了完成體內(nèi)的任務(wù)，需要從外部控制系統(tǒng)，并且系統(tǒng)收集的信息（例如診斷數(shù)據(jù)）應(yīng)易于傳達(dá)給外部世界。

施密特解釋說(shuō)：“要使微型機(jī)器人系統(tǒng)在人體中發(fā)揮作用，它應(yīng)包含電能，傳感器，致動(dòng)器，天線和微電子電路。我們最近工作的主要目標(biāo)是朝著這個(gè)最終目標(biāo)邁出一大步；當(dāng)然，是以簡(jiǎn)化的方式?！?/p>

Schmidt和他的同事通過(guò)將微電子元件和納米電子元件集成在芯片表面上來(lái)制造其靈活的微系統(tǒng)，其方式類似于使用硅技術(shù)構(gòu)建計(jì)算機(jī)芯片的方式。但是，它們的系統(tǒng)與常規(guī)計(jì)算機(jī)芯片之間的主要區(qū)別在于，前者的設(shè)計(jì)包括使用大約20年前采用的方法制造的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，這種方法通常不用于主流微電子技術(shù)的開(kāi)發(fā)中。
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施密特說(shuō)：“訣竅在于將應(yīng)變極高的薄材料放在芯片上，當(dāng)它們從芯片表面分層時(shí)，它們會(huì)迅速回卷成瑞士卷微管結(jié)構(gòu)。這個(gè)程序可以很好地控制，以便使卷起的微管在微機(jī)器人系統(tǒng)的相對(duì)兩側(cè)牢固連接。如果這些微管內(nèi)部涂有鉑，一旦鉑進(jìn)入，催化反應(yīng)就會(huì)產(chǎn)生氧氣氣泡接觸含有少量過(guò)氧化氫（H 2 O 2）的水溶液。”

由于施密特和他的同事使用的非常規(guī)設(shè)計(jì)策略，當(dāng)將微型機(jī)器人系統(tǒng)放置在含有過(guò)氧化氫(H2O2)的水溶液中時(shí)，溶液進(jìn)入其兩個(gè)微管，產(chǎn)生氧泡。然后，這些氣泡被推到微管末端的外面，通過(guò)一種稱為射流推進(jìn)的機(jī)制加速系統(tǒng)。

施密特說(shuō)：“這種噴氣推進(jìn)原理是我們小組在12年前提出的。但是，像我們目前的工作中那樣的雙噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)以前從未被制造過(guò)?！?/p>

研究人員的噴氣推進(jìn)策略的核心催化反應(yīng)可以通過(guò)改變噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度來(lái)控制。高溫產(chǎn)生更多的氣泡和更強(qiáng)的推力。低溫則氣泡少、推力弱。

Schmidt和他的同事通過(guò)施加流經(jīng)連接到發(fā)動(dòng)機(jī)的電阻性元件的電流來(lái)控制兩個(gè)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)之一的溫度。溫度的變化增加了其中一個(gè)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生的氣泡的數(shù)量和隨后的推力，這又使系統(tǒng)可以向右或向左轉(zhuǎn)。

施密特說(shuō)：“您可能會(huì)問(wèn)自己，我們?nèi)绾翁峁┘訜犭娮柙碾娏?。為此，我們?cè)谖⑿拖到y(tǒng)中集成了一個(gè)微小的天線，該天線可以從外部通過(guò)無(wú)線能量饋電（類似于您手機(jī)的無(wú)線感應(yīng)充電）。因此，船上可以使用電能，這是全新的這么小的自走式微型機(jī)器人?！?/p>

施密特和他的同事開(kāi)發(fā)的微型機(jī)器人也有一個(gè)小手臂，可以抓住并釋放周圍的小物體。當(dāng)系統(tǒng)溫度變化時(shí)，小臂會(huì)執(zhí)行不同的動(dòng)作，彎腰抓住物體，或者彎腰釋放物體。

施密特說(shuō)：“這種集成的機(jī)械臂對(duì)于自推式微系統(tǒng)也是全新的功能。最后，微型機(jī)器人可以在板上安裝一個(gè)微小的紅外LED，該紅外LED可以通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)哪芰縼?lái)打開(kāi)。該LED可能對(duì)跟蹤體內(nèi)的微型機(jī)器人很有用。在移動(dòng)微型機(jī)器人上打開(kāi)和關(guān)閉微型LED從未之前顯示過(guò)?！?/p>

施密特及其團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的微型機(jī)器人系統(tǒng)是由高度靈活的材料制成的。這意味著它可以彎曲或變形而不會(huì)損壞，因此它甚至可以穿過(guò)人體中的毛細(xì)血管或其他小通道，并繼續(xù)正常運(yùn)行。

將來(lái)，這個(gè)新系統(tǒng)可能會(huì)具有更多有價(jià)值的應(yīng)用場(chǎng)景。例如，它可以完成需要高精度的人體內(nèi)部任務(wù)，包括外科手術(shù)或診斷程序。

施密特說(shuō)：“我們已經(jīng)證明，電能可以無(wú)線傳輸?shù)匠⌒臀⑿蜋C(jī)器人系統(tǒng)，并且該電能可以用于執(zhí)行有用的任務(wù)：遠(yuǎn)程操縱微型機(jī)器人或打開(kāi)和關(guān)閉紅外LED。下一步工作是在血液等生物流體中運(yùn)行該系統(tǒng)。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)造需要略有不同?！?br /> 責(zé)任編輯；zl