開發(fā)一種用于無創(chuàng)和無線監(jiān)測系統(tǒng)的自感知AI微型機器人

微型機器人由于其體積小巧、運動靈活以及各種原位治療的潛力而受到了極大的關(guān)注。然而，除了精確的運動控制之外，微型機器人的功能改善對于其與環(huán)境的交互變得至關(guān)重要。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，北京理工大學、香港城市大學的研究人員組成的團隊在Microsystems & Nanoengineering期刊上發(fā)表了題為“Self-sensing intelligent microrobots for noninvasive and wireless monitoring systems”的論文，提出了一種基于電磁成像中局部磁場增強的無線自感知人工智能（AI）微型機器人，用于體內(nèi)無創(chuàng)監(jiān)測。提出的AI微型機器人由一個配備有可調(diào)諧射頻（RF）線圈的傳感器的頭部和一個可由外部磁場驅(qū)動的磁性尾部組成，它可以與外部電磁成像設(shè)備配合，增強局部射頻磁場，實現(xiàn)大穿透傳感深度和高空間分辨率。其工作范圍由傳感器電路的結(jié)構(gòu)決定，相應(yīng)的增強效果可以通過周圍環(huán)境的電導(dǎo)率和介電常數(shù)來調(diào)制，最高可達~560倍。在外部磁場的控制下，磁性尾部可以驅(qū)動微型機器人進行精確運動，有望實現(xiàn)對人體不同部位近乎無創(chuàng)的原位監(jiān)測，尤其是潛在疾病周圍，對疾病的早期發(fā)現(xiàn)和準確診斷具有重要意義。此外，兼容的制造工藝易于量產(chǎn)功能性微型機器人。這些研究結(jié)果凸顯了自感知AI微型機器人根據(jù)傳感信號進行原位診斷甚至治療的可行性。

圖1a展示了AI微型機器人在外界控制下在人體內(nèi)部“巡查”的場景示意圖。在現(xiàn)有的電磁成像方法中，磁共振成像（MRI）因其高穿透深度和空間分辨率而得到廣泛應(yīng)用。微型機器人頭部的傳感部分從成像設(shè)備的射頻線圈產(chǎn)生的電磁場中獲取能量，并調(diào)制局部射頻磁場，從而改變圖像中相應(yīng)位置的信號。周圍環(huán)境的介電特性，包括介電常數(shù)和電導(dǎo)率，決定了傳感電路的電特性，進而影響對局部射頻磁場的增強效果。疾病會改變微環(huán)境的介電特性，因此，當微型機器人到達病變附近時，增強信號會發(fā)生變化，從而提示可能發(fā)生疾病。圖1b顯示了襯底上的圖案化的微型機器人和制造完成的微型機器人。所設(shè)計的器件是按照圖1c所示的工藝一步一步地被制造的。

圖1 AI微型機器人配合電磁成像設(shè)備進行疾病診斷

微型機器人的頭部平臺由100 nm SiO2制成，作為支撐傳感器的襯底。傳感器的三層結(jié)構(gòu)依次被制備在微型機器人的頭部之上。中間叉指電極（厚度<10 μm）約占頭部面積的25%，并被環(huán)形電極包圍，環(huán)形電極通過兩個通孔與底部電極連接，形成閉合的電阻-電感-電容（RLC）回路，如圖2a所示。射頻線圈的尺寸范圍為~500至~50 μm，叉指電極對的數(shù)量可以根據(jù)實際要求進行調(diào)整。最后，將芯片浸泡在NaOH溶液中蝕刻犧牲Al2O3層，釋放SixNy層中的應(yīng)力，使其卷成螺旋尾部。圖2b展示了RLC無源傳感器的原理圖。

圖2 無線傳感器工作原理

周圍環(huán)境可以通過改變介電常數(shù)或電導(dǎo)率來影響傳感器的局部磁場增強性能。研究人員通過模擬研究了介電常數(shù)和電導(dǎo)率對器件性能的影響，如圖3所示。

圖3 器件性能模擬結(jié)果

根據(jù)理論結(jié)果，研究人員在微型機器人上制備了一個合適的結(jié)構(gòu)傳感器，并將其連接到準備好的外部測量設(shè)備上，如圖4a所示。一個邊長為1 mm的正方形線圈被用作外部讀出線圈，其與環(huán)繞著感知叉指電極的線圈耦合。外接線圈通過一個SMA連接器連接到網(wǎng)絡(luò)分析儀上進行掃頻測試，測量電路被制備在印刷電路板（PCB）上。傳感器的電磁特性的測量結(jié)果如圖4c-4h所示。

圖4 使用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量傳感器的電磁特性

研究人員對集成AI微型機器人進行運動控制和姿態(tài)調(diào)整，以獲得其運動特性，如圖5所示。驅(qū)動磁場由三對相互垂直的亥姆霍茲線圈產(chǎn)生，所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的強度和方向可以根據(jù)運動要求進行調(diào)整。尾部在外部旋轉(zhuǎn)磁場的作用下旋轉(zhuǎn)，通過螺旋結(jié)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為平移，從而使微型機器人能夠根據(jù)磁場旋轉(zhuǎn)方向前后移動。工作環(huán)境為去離子水。在整個驅(qū)動實驗中，AI微型機器人分別實現(xiàn)了從0秒至7秒和從7秒至23秒的直線和圓周運動。

圖5 集成AI微型機器人運動控制與姿態(tài)調(diào)整的時間分辨光學圖像

綜上所述，本研究提出了一種用于無創(chuàng)體內(nèi)監(jiān)測的無線AI微型機器人，以實現(xiàn)自感知功能。這種新型AI微型機器人由頭部傳感器和磁性螺旋尾部組成，能夠根據(jù)電磁成像中的增強信號靈敏地感知環(huán)境變化，并能在外部驅(qū)動場的作用下實現(xiàn)精確驅(qū)動。傳感器電路無需板載電源即可從射頻磁場中收集能量，并根據(jù)周圍環(huán)境的電導(dǎo)率和介電常數(shù)進行調(diào)諧或失諧。這決定了對局部射頻磁場的增強效果，可將其增強至~560倍。介電常數(shù)的增加導(dǎo)致諧振頻率相應(yīng)降低，而電導(dǎo)率的增加減弱了增強效果。因此，受周圍環(huán)境影響的阻抗信號可以實時反映微型機器人的工作狀態(tài)。此外，磁性螺旋尾部在外部磁場的控制下可將微型機器人驅(qū)動至目標位置。AI微型機器人具有體積小、運動可控、自感知等特性，結(jié)合現(xiàn)有的電磁成像設(shè)備，在人體無創(chuàng)監(jiān)測方面具有巨大潛力，尤其是那些傳統(tǒng)設(shè)備難以到達的地方。無源傳感器與微型機器人的集成凸顯了無創(chuàng)無線原位傳感的可行性，這對于多種治療手段的開發(fā)具有重要意義。由于采用了兼容的制造工藝，批量生產(chǎn)和集群控制的微型機器人是可以預(yù)見的。此外，在AI微型機器人上集成各種功能涂層，可實現(xiàn)對各種生化成分和生物標志物的檢測，有望在未來用于特定疾病的診斷。

審核編輯：劉清