由城市大學的科學家領導的一項聯(lián)合研究項目中的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種簡單的方法，可以通過用膠水狀的磁性噴霧劑涂覆物體來制造微型機器人。在磁場的驅動下，被涂物體可以在表面爬行，行走或滾動。由于磁性涂層具有生物相容性，可以在需要時分解成粉末，因此該技術證明了生物醫(yī)學應用的潛力，包括導管導航和藥物輸送。

該研究團隊由城大生物醫(yī)學工程系(BME)副教授沉亞靜博士與中國科學院深圳先進技術研究院(SIAT)合作。該研究結果已發(fā)表在科學期刊《科學機器人》上，標題為“凝集磁性噴霧將無生命的物體轉化為用于生物醫(yī)學應用的毫微機器人。”

用“磁性外套”將物體轉變成毫微機器人

科學家一直在開發(fā)能夠適應不同環(huán)境的探索和生物醫(yī)學應用的微型機器人或昆蟲規(guī)模的機器人。

沉博士的研究團隊提出了一種簡單的方法，可以通過使用復合膠狀磁噴涂劑(稱為M噴涂)對物體進行涂層來構造毫微微機器人。“我們的想法是，通過穿上這種磁性外套，我們可以將任何物體變成機器人并控制其運動。我們開發(fā)的M噴霧可以粘附在目標物體上，并在磁場驅動下激活它。”沉

M噴涂由聚乙烯醇(PVA)，面筋和鐵顆粒組成，可立即，穩(wěn)定且牢固地粘附在1-D，2-D或3-D物體的粗糙，光滑表面上。它在表面上形成的薄膜厚度僅為0.1至0.25毫米，足夠薄以保留物體的原始尺寸，形式和結構。

用M噴涂對物體進行涂層后，研究人員用單個或多個磁化方向將其磁化，這可以控制磁場如何移動物體。然后他們在物體上加熱直到涂層固化。

這樣，當受到磁場驅動時，這些對象可以轉換為具有不同運動模式的Millirobots，例如在玻璃，皮膚，木材和沙子等各種表面上爬行，翻轉，行走和滾動。該小組通過將棉線(1-D)，折紙(2-D平面)，聚二甲基硅氧烷薄膜(2-D彎曲/軟表面)和塑料管(3-D圓形物體)轉換成軟爬行動物機器人來展示了此功能，多足機器人，步行機器人和滾動機器人。

Millirobots的簡單方法。由于磁性涂層具有生物相容性，可以在需要時分解成粉末，因此該技術證明了生物醫(yī)學應用的潛力。圖片來源：城市大學

按需重新編程以更改運動模式

團隊可以根據(jù)需要重新編程millirobot的運動模式。本文的第一作者楊雄先生解釋說，按照慣例，機器人的初始結構通常在構造后就固定下來，從而限制了它在運動中的多功能性。但是，通過將固化的M噴涂涂層完全潤濕以使其像膠水一樣具有粘性，然后通過施加強磁場，可以改變M噴涂涂層的磁性顆粒的分布和排列方向(易磁化軸)。

他們的實驗表明，相同的millirobot可以在不同的運動模式之間切換，例如從在寬敞的環(huán)境中更快的3-D毛毛蟲運動到通過狹窄間隙的較慢的2-D六角琴運動。

航行能力和崩解性

此可重新編程的致動功能也有助于導航至目標。為了探索生物醫(yī)學應用的潛力，研究小組使用導管進行了實驗，該導管被廣泛用于插入體內(nèi)以治療疾病或進行外科手術。他們證明了采用M噴涂涂層的導管可以進行急轉彎或平滑轉彎。而且血/液流對M噴涂涂層導管的運動能力和穩(wěn)定性的影響是有限的。

通過根據(jù)交貨任務和環(huán)境對棉線不同部分的M噴涂涂層進行重新編程，他們進一步表明，它可以實現(xiàn)快速轉向并順利通過不規(guī)則，狹窄的結構。沉博士指出，從臨床應用的角度來看，這可以防止插入過程中喉壁意外下沉。

他說：“基于任務的重編程為在復雜的食道，血管和尿道中始終需要導航的導管操作提供了有希望的潛力。”

該技術的另一個重要特征是，可以通過控制磁場按需將M噴涂涂層分解成粉末。沉博士說：“ M噴涂的所有原材料，即PVA，面筋和鐵顆粒，都是生物相容的。崩解的涂層可能被人體吸收或排泄。”他強調(diào)M-崩解的副作用。噴霧可以忽略不計。

重新編程后，爬行動物的Millirobot從毛毛蟲運動變?yōu)槭诛L琴運動。圖片來源：城市大學

在兔胃中成功遞送藥物

為了進一步驗證啟用M噴霧的millirobot進行藥物遞送的可行性和有效性，研究小組對兔子和涂有M噴霧的膠囊進行了體內(nèi)測試。在分娩過程中，麻醉兔子，并通過放射成像跟蹤膠囊在胃中的位置。當膠囊到達目標區(qū)域時，研究人員通過施加振蕩磁場使涂層崩解。沉博士補充說：“ M-spray的可控崩解特性使該藥物能夠在目標位置釋放，而不是在器官中擴散。”

盡管在強酸性環(huán)境(pH值為1)下，M噴涂涂層將在約八分鐘內(nèi)開始崩解，但研究小組表明，M噴涂涂層表面上的附加PVA層可將其延長至約15分鐘。如果用鎳顆粒代替鐵顆粒，即使在30分鐘后，該涂層也可以在強酸性環(huán)境中保持穩(wěn)定。

“我們的實驗結果表明，使用M型噴霧器可以構建不同的Millirobot，以適應各種環(huán)境，表面條件和障礙。我們希望這種構建策略能夠為Millirobots在不同領域的開發(fā)和應用做出貢獻，例如主動運輸，可移動傳感器和設備，特別是在有限空間內(nèi)的任務。”沉博士說。

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