万物皆可机器人:新型电磁喷雾可以将物体转化为微型机器人

   绕波特        

由香港城市大学研究人员已经开发出一种简单的方法,可以通过用胶水状的磁性喷雾剂涂覆物体来制造微型机器人。在磁场的驱动下,被涂物体可以在表面爬行,行走或滚动。由于磁性涂层具有生物相容性,可以在需要时分解成粉末,因此该技术证明了生物医学应用的潜力,包括导管导航和药物输送。


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该研究团队由城大生物医学工程系(BME)副教授沉亚静博士与中国科学院深圳先进技术研究院(SIAT)合作。该研究结果已发表在科学期刊《科学机器人》上,标题为“凝集磁性喷雾,将无生命的物体转化为用于生物医学应用的微型机器人。”


科学家一直在开发能够适应不同环境的,应用在生物医学上的微型机器人。


沉博士的研究团队提出了一种简单的方法,可以通过使用复合胶状磁喷涂剂(称为M喷涂)对物体进行涂层来构造微型机器人。“我们的想法是,通过穿上这种磁性外套,我们可以将任何物体变成机器人并控制其运动。我们开发的M喷雾可以粘附在目标物体上,并在磁场驱动下激活它。”


M喷涂由聚乙烯醇(PVA)和铁颗粒组成,可立即,稳定且牢固地粘附在1-D,2-D或3-D物体的粗糙,光滑表面上。它在表面上形成的薄膜厚度仅为0.1至0.25毫米,足够薄以保留物体的原始尺寸,形式和结构。


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用M喷涂对物体进行涂层后,研究人员用单个或多个磁化方向将其磁化,这可以控制磁场如何移动物体。然后他们在物体上加热直到涂层固化。


这样,当受到磁场驱动时,这些对象可以转换为具有不同运动模式的Millirobots,例如在玻璃,皮肤,木材和沙子等各种表面上爬行,翻转,行走和滚动。该小组通过将棉线(1-D),折纸(2-D平面),聚二甲基硅氧烷薄膜(2-D弯曲/软表面)和塑料管(3-D圆形物体)转换成软爬行动物机器人来展示了此功能,多足机器人,步行机器人和滚动机器人。


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由CityU的科学家领导的一项联合研究开发了一种通过用磁性喷涂剂涂覆物体来制造Millirobots的简单方法。由于磁性涂层具有生物相容性,可以在需要时分解成粉末,因此该技术证明了生物医学应用的潜力。


按需重新编程以更改运动模式


团队可以根据需要重新编程millirobot的运动模式。本文的第一作者杨雄先生解释说,按照惯例,机器人的初始结构通常在构造后就固定下来,从而限制了它在运动中的多功能性。但是,通过将固化的M喷涂涂层完全润湿以使其像胶水一样具有粘性,然后通过施加强磁场,可以改变M喷涂涂层的磁性颗粒的分布和排列方向(易磁化轴)。


他们的实验表明,相同的millirobot可以在不同的运动模式之间切换,例如从在宽敞的环境中更快的3-D毛毛虫运动到通过狭窄间隙的较慢的2-D六角琴运动。


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M喷雾/ M皮肤在用于药物输送的胶囊上的应用。


此可重新编程的致动功能也有助于导航至目标。为了探索生物医学应用的潜力,研究小组使用导管进行了实验,该导管被广泛用于插入体内以治疗疾病或进行外科手术。他们证明了采用M喷涂涂层的导管可以进行急转弯或平滑转弯。而且血/液流对M喷涂涂层导管的运动能力和稳定性的影响是有限的。


通过根据交货任务和环境对棉线不同部分的M喷涂涂层进行重新编程,他们进一步表明,它可以实现快速转向并顺利通过不规则,狭窄的结构。沉博士指出,从临床应用的角度来看,这可以防止插入过程中喉壁意外下沉。


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他说:“根据任务的需要,可以单独编程,为在复杂的食道,血管和尿道中的导管提供导航。”


该技术的另一个重要特征是,可以通过控制磁场按需将M喷涂涂层分解成粉末。沉博士说:“ M喷涂的所有原材料,即PVA和铁颗粒,都是生物相容的。分解后的涂层可能被人体吸收或排泄。”他强调M-喷雾的副作用几乎可以忽略不计。


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重新编程后,爬行动物的Millirobot从毛毛虫运动变为手风琴运动。


在兔胃中成功递送药物


为了进一步验证启用M喷雾的millirobot进行药物递送的可行性和有效性,研究小组对兔子和涂有M喷雾的胶囊进行了体内测试。在分娩过程中,麻醉兔子,并通过放射成像跟踪胶囊在胃中的位置。当胶囊到达目标区域时,研究人员通过施加振荡磁场使涂层崩解。沉博士补充说:“ M-spray的可控崩解特性使该药物能够在目标位置释放,而不是在器官中扩散。”


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兔胃中药物递送的示意图。磁场用于机器人致动,放射成像用于运动评估,超声成像用于药物释放评估。图片来源:Yang等,科学。机器人。5,eabc8191(2020)


尽管在强酸性环境(pH值为1)下,M喷涂涂层将在约八分钟内开始崩解,但研究小组表明,M喷涂涂层表面上的附加PVA层可将其延长至约15分钟。如果用镍颗粒代替铁颗粒,即使在30分钟后,该涂层也可以在强酸性环境中保持稳定。


被M喷雾覆盖的胶囊在胃的模型内部和兔子的胃内部导航的视频(离体)。到达目标后,胶囊会受到强大的振荡磁场刺激,从而导致M皮肤崩解并从胶囊内释放微珠。


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“我们的实验结果表明,使用M型喷雾器可以构建不同的Millirobot,以适应各种环境,表面条件和障碍。我们希望这种构建策略能够为Millirobots在不同领域的开发和应用做出贡献,例如主动运输,可移动传感器和设备,特别是在有限空间内的任务。”沉博士说。


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