由城市大學(xué)的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)聯(lián)合研究項(xiàng)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(jī)器人。在磁場的驅(qū)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(shù)證明了生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的潛力，包括導(dǎo)管導(dǎo)航和藥物輸送。

該研究團(tuán)隊由城大生物醫(yī)學(xué)工程系(BME)副教授沉亞靜博士與中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院(SIAT)合作。該研究結(jié)果已發(fā)表在科學(xué)期刊《科學(xué)機(jī)器人》上，標(biāo)題為“凝集磁性噴霧將無生命的物體轉(zhuǎn)化為用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的毫微機(jī)器人。”

用“磁性外套”將物體轉(zhuǎn)變成毫微機(jī)器人

科學(xué)家一直在開發(fā)能夠適應(yīng)不同環(huán)境的探索和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的微型機(jī)器人或昆蟲規(guī)模的機(jī)器人。

沉博士的研究團(tuán)隊提出了一種簡單的方法，可以通過使用復(fù)合膠狀磁噴涂劑(稱為M噴涂)對物體進(jìn)行涂層來構(gòu)造毫微微機(jī)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(jī)器人并控制其運(yùn)動。我們開發(fā)的M噴霧可以粘附在目標(biāo)物體上，并在磁場驅(qū)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(jié)構(gòu)。

用M噴涂對物體進(jìn)行涂層后，研究人員用單個或多個磁化方向?qū)⑵浯呕@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(dāng)受到磁場驅(qū)動時，這些對象可以轉(zhuǎn)換為具有不同運(yùn)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(zhuǎn)，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(zhuǎn)換成軟爬行動物機(jī)器人來展示了此功能，多足機(jī)器人，步行機(jī)器人和滾動機(jī)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(shù)證明了生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的潛力。圖片來源：城市大學(xué)

按需重新編程以更改運(yùn)動模式

團(tuán)隊可以根據(jù)需要重新編程millirobot的運(yùn)動模式。本文的第一作者楊雄先生解釋說，按照慣例，機(jī)器人的初始結(jié)構(gòu)通常在構(gòu)造后就固定下來，從而限制了它在運(yùn)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(qiáng)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(shí)驗(yàn)表明，相同的millirobot可以在不同的運(yùn)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(yùn)動到通過狹窄間隙的較慢的2-D六角琴運(yùn)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(dǎo)航至目標(biāo)。為了探索生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的潛力，研究小組使用導(dǎo)管進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，該導(dǎo)管被廣泛用于插入體內(nèi)以治療疾病或進(jìn)行外科手術(shù)。他們證明了采用M噴涂涂層的導(dǎo)管可以進(jìn)行急轉(zhuǎn)彎或平滑轉(zhuǎn)彎。而且血/液流對M噴涂涂層導(dǎo)管的運(yùn)動能力和穩(wěn)定性的影響是有限的。

通過根據(jù)交貨任務(wù)和環(huán)境對棉線不同部分的M噴涂涂層進(jìn)行重新編程，他們進(jìn)一步表明，它可以實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)向并順利通過不規(guī)則，狹窄的結(jié)構(gòu)。沉博士指出，從臨床應(yīng)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(wù)的重編程為在復(fù)雜的食道，血管和尿道中始終需要導(dǎo)航的導(dǎo)管操作提供了有希望的潛力。”

該技術(shù)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(qiáng)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(yùn)動變?yōu)槭诛L(fēng)琴運(yùn)動。圖片來源：城市大學(xué)

在兔胃中成功遞送藥物

為了進(jìn)一步驗(yàn)證啟用M噴霧的millirobot進(jìn)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(jìn)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(dāng)膠囊到達(dá)目標(biāo)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(bǔ)充說：“ M-spray的可控崩解特性使該藥物能夠在目標(biāo)位置釋放，而不是在器官中擴(kuò)散。”

盡管在強(qiáng)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(qiáng)酸性環(huán)境中保持穩(wěn)定。

“我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用M型噴霧器可以構(gòu)建不同的Millirobot，以適應(yīng)各種環(huán)境，表面條件和障礙。我們希望這種構(gòu)建策略能夠?yàn)镸illirobots在不同領(lǐng)域的開發(fā)和應(yīng)用做出貢獻(xiàn)，例如主動運(yùn)輸，可移動傳感器和設(shè)備，特別是在有限空間內(nèi)的任務(wù)。”沉博士說。

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