北理工團(tuán)隊(duì)發(fā)表關(guān)于水凝膠微機(jī)器人的研究成果
發(fā)布日期：2022-12-15 供稿：機(jī)電學(xué)院 攝影：機(jī)電學(xué)院
編輯：謝雨珈 審核：王亞斌 閱讀次數(shù)：北京理工大學(xué)智能機(jī)器人研究所王化平教授團(tuán)隊(duì)在微納機(jī)器人與生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，12月14日,，其研究成果“基于可編程非均一電沉積的模塊化水凝膠微機(jī)器人”（Programmable aniso-electrodeposited modular hydrogel microrobots）,，以研究長(zhǎng)文（Research Article）形式在線發(fā)表于科學(xué)子刊《科學(xué)進(jìn)展》 (Science Advance)。該成果首創(chuàng)了一種可集成不同功能與形變模塊的任意構(gòu)型單薄膜軟體微機(jī)器人一體化制造方法,，從而解決了微機(jī)器人在人體等活體封閉環(huán)境下同時(shí)開展顯影,、給藥、修復(fù)等多序列復(fù)雜任務(wù)作業(yè)的適應(yīng)性問題,，為癌癥等重大疾病開發(fā)更智能,、更集成、更高效的治療手段提供了新思路,。
機(jī)電學(xué)院王化平教授及德國(guó)馬普所Metin Sitti教授為論文通訊作者,，機(jī)電學(xué)院博士畢業(yè)生鄭志強(qiáng)（馬普所博士后）為論文第一作者，北京理工大學(xué)是該論文第一完成單位,。
圖1 模塊化軟體微機(jī)器人的非均一電沉積制造原理及活體作業(yè)示意圖
近年來,，軟體微機(jī)器人因其形態(tài)可變性、物理適應(yīng)性,、交互友好性而得到廣泛關(guān)注,，在癌癥靶向治療等個(gè)性化先端醫(yī)療領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。目前,，微機(jī)器人通過搭載特定物質(zhì)并在光,、電、磁等物理場(chǎng)刺激下運(yùn)動(dòng)、形變可以完成特定任務(wù),。然而,，微小的機(jī)器人本體大多僅能搭載特定單一功能，難以應(yīng)對(duì)活體真實(shí)場(chǎng)景下多序列復(fù)雜作業(yè)的任務(wù)需求,。相比之下,，自然界生物通過長(zhǎng)期演化具備了驅(qū)動(dòng)、傳感,、決策,、作業(yè)等不同功能模塊，能夠有效適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境,。以此為啟發(fā),，開發(fā)能夠兼具多種成分與復(fù)合功能的模塊化微機(jī)器人，對(duì)于靈活開展生物體內(nèi)全流程作業(yè),，大幅提升無創(chuàng)醫(yī)療的智能化與高效化具有重要意義,。
模塊化、集成化設(shè)計(jì)——變革微機(jī)器人復(fù)合制造模式
該團(tuán)隊(duì)在前期研究自形變褐藻酸微機(jī)器人的基礎(chǔ)上（Nature Communications, vol. 12(1), 2021. https://doi.org/10.1038/s41467-020-20697-w）,，進(jìn)一步探索了褐藻酸液體如何在非均一電場(chǎng)作用下固化為不同大小網(wǎng)格結(jié)構(gòu)組成的凝膠體,。發(fā)現(xiàn)這些網(wǎng)格結(jié)構(gòu)不僅在受到離子濃度、pH值變化激勵(lì)時(shí)能夠膨脹,、收縮使凝膠整體展現(xiàn)出特定的形變特征,，還能像一張網(wǎng)包絡(luò)嵌入各種徑粒大小的成分。該發(fā)現(xiàn)激發(fā)了團(tuán)隊(duì)研發(fā)能夠集成不同形變模式,、功能成分的模塊化微機(jī)器人的靈感,。
團(tuán)隊(duì)預(yù)先設(shè)定微機(jī)器人整體形狀并將其劃分為不同模塊區(qū)域，在各區(qū)域布設(shè)與機(jī)器人局部形狀匹配的電極并分別注入混有不同功能成分的褐藻酸溶液,。通過調(diào)節(jié)各區(qū)域電場(chǎng)方向與梯度,，以多區(qū)域的同步電沉積固化集成了微機(jī)器人本體。這樣的微機(jī)器人不僅具備可降解褐藻酸凝膠單薄膜整體構(gòu)型,，各局部模塊還能保持其獨(dú)有的形變模式與生物功能,，改變了當(dāng)前復(fù)合軟體微機(jī)器人繁瑣的制造模式，大幅提升了單薄膜微機(jī)器人的功能性,。
圖2 具有多重形變模式與復(fù)合生物功能的模塊化微機(jī)器人制造流程
多成分,、多模態(tài)復(fù)合——服務(wù)靶向醫(yī)療任務(wù)全流程
通過模塊化軟體微機(jī)器人制造方法，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了經(jīng)典的條狀微機(jī)器人本體結(jié)構(gòu),，并為其不同模塊區(qū)域搭載了磁性納米顆粒,、造影劑（如微泡和熒光納米顆粒）、功能性細(xì)胞,、靶向藥物等不同物質(zhì),，使其能夠兼具磁驅(qū)動(dòng),、封閉空間顯影反饋、靶向作業(yè)等性能,。通過賦予微機(jī)器人本體不同模塊特定的形變模式,，使其能夠感知生物活體環(huán)境中變化的體液離子濃度與pH值，發(fā)生局部區(qū)域同軸,、異軸形變并通過磁驅(qū)動(dòng)模仿毛蟲蠕動(dòng),、魚類擺尾,，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸,、投遞、移植,、回收,、降解等多序列復(fù)雜任務(wù)，有望在未來個(gè)性化靶向醫(yī)療中大展拳腳,。
圖3 模塊化微機(jī)器人進(jìn)行功能性細(xì)胞的“運(yùn)輸-投遞-移植-回收”多序列作業(yè)
通過有效利用該模塊化軟體微機(jī)器人加工策略,，團(tuán)隊(duì)未來將繼續(xù)探索多模塊微機(jī)器人的單體控制與群體協(xié)作方法，為復(fù)雜活體環(huán)境下的跨域協(xié)同與自適應(yīng)作業(yè)提供使能支撐,，服務(wù)病灶定位,、給藥、修復(fù)等精準(zhǔn)醫(yī)療任務(wù)全流程,。
論文下載地址：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ade6135
附團(tuán)隊(duì)介紹：
北理工生物微納操作團(tuán)隊(duì)依托機(jī)電學(xué)院,，面向世界前沿，在微納機(jī)器人,、微納生物制造等方面已開展了一系列研究,，相關(guān)成果發(fā)表在Science Advance、Nature Communications,，Lab on a Chip,、Biofabrication、IEEE Trans匯刊等國(guó)際知名期刊,。此次論文以北京理工大學(xué)為第一單位,，相關(guān)工作由機(jī)電學(xué)院與德國(guó)馬普所研究團(tuán)隊(duì)合作完成，展現(xiàn)了團(tuán)隊(duì)在微納機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域積極探索國(guó)際合作模式,、提升國(guó)際影響力取得階段性進(jìn)展,。
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