近期，加拿大滑鐵盧大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種基于植物水凝膠的微型軟體醫(yī)療機(jī)器人，這些機(jī)器人可以進(jìn)入人體并執(zhí)行任務(wù)，例如活檢或外科手術(shù)。
這種機(jī)器人由具有生物相容性的水凝膠材料組成，其材料包含來自植物的纖維素納米顆粒。研究人員可以通過調(diào)整纖維素納米顆粒的取向，使它們?cè)诒┞队谀承┗瘜W(xué)環(huán)境（如pH值變化）時(shí)以可預(yù)測的方式發(fā)生形狀改變，從而實(shí)現(xiàn)物品的夾取。
結(jié)合磁性元件，機(jī)器人可以利用外部磁場移動(dòng)，并將物體（如藥物）運(yùn)送到身體的不同部位。
1、小于1CM，可形變可自愈
由于采用了新型植物基材料，這種微型機(jī)器人具有自愈性。這意味著它可以在沒有任何粘合劑的情況下粘在一起，這種靈活的特性能讓醫(yī)生根據(jù)所需的尺寸和形狀輕松定制它的形狀，以適應(yīng)不同的應(yīng)用。
同時(shí)，這種材料還對(duì)溫度、離子強(qiáng)度和 pH 值敏感，能夠在外部環(huán)境的變化下觸發(fā)變形系統(tǒng)，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的夾持。研究人員增加環(huán)境增加pH值時(shí)，微型軟體醫(yī)療機(jī)器人的夾持器通過滾動(dòng)來抓取球形貨物。將貨物轉(zhuǎn)移到新位置后，通過降低pH值打開夾持臂，然后釋放貨物。由于夾持臂的柔軟性，它們還可以纏繞在不規(guī)則和柔軟的物體上，從而實(shí)現(xiàn)長條物體的移動(dòng)。
這種機(jī)器人的最大長度為1厘米，由于結(jié)合了磁性組件來，可以通過施加在體外的磁場來控制移動(dòng)機(jī)器人將藥物或其他物件精確輸送到特定的區(qū)域。
對(duì)其細(xì)胞毒性的進(jìn)一步研究表明，它們具有高水平的生物相容性。在實(shí)驗(yàn)中，研究人員已經(jīng)能夠操縱機(jī)器人穿越迷宮，這表明它們或許能在我們曲折的脈管系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)。
a 一種由剪切和粘貼策略開發(fā)的微型抓手，通過增加pH值觸發(fā)的滾動(dòng)臂來抓取球形貨物。將貨物轉(zhuǎn)移到新位置后，打開夾持臂，通過降低pH值釋放貨物。比例尺為 10 毫米。b 微型機(jī)器人通過纏繞輕型貨物來轉(zhuǎn)移輕型貨物的示意圖，該輕型貨物由增加 pH 值觸發(fā)。通過在不受束縛的軟夾持器上添加磁性貼片，可以通過外部磁場進(jìn)行導(dǎo)航和操縱。c 微型機(jī)器人通過扭動(dòng)來轉(zhuǎn)移工字形貨物，該貨物由增加pH值觸發(fā)。微型機(jī)器人由磁鐵遠(yuǎn)程導(dǎo)航和操縱。降低pH值會(huì)觸發(fā)微型機(jī)器人的打開和貨物的釋放。請(qǐng)注意，貨物抓取過程并非完全非接觸式，我們必須手動(dòng)將貨物引導(dǎo)到正確的位置。完全非接觸式抓取步驟需要主動(dòng)控制扭線帶的位置，這不是這項(xiàng)工作的范圍。比例尺為 10 毫米。
2、開啟柔性革命
微型軟體機(jī)器人是一個(gè)相對(duì)未被充分開發(fā)的領(lǐng)域，但具有龐大的醫(yī)療應(yīng)用潛力。
目前上述課題組的科學(xué)家們正積極研究，如何增強(qiáng)水凝膠的機(jī)械性能，從而提升機(jī)器人的承載力。同時(shí)，進(jìn)一步提升水凝膠的變形能力和運(yùn)動(dòng)模式，適應(yīng)更復(fù)雜的醫(yī)學(xué)應(yīng)用。此外，如何讓機(jī)器人在更溫和的PH環(huán)境中觸發(fā)形變也是另一個(gè)難點(diǎn)。
目前，研究人員已經(jīng)在PH較高和較低的兩種環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的形變。在天然pH值較高的器官中具有治療應(yīng)用的潛力，比如膀胱。
這一研究“Programmable nanocomposites of cellulose nanocrystals and zwitterionic hydrogels for soft robotics”，發(fā)表在了9月30日的《nature communications》上。
與傳統(tǒng)剛性醫(yī)療機(jī)器人相比，軟體機(jī)器人能夠進(jìn)一步深入人體，在復(fù)雜的結(jié)構(gòu)中靈活移動(dòng)，為傳統(tǒng)剛性機(jī)器人難以解決的問題提供解決方案，提高醫(yī)療效率。當(dāng)前，國內(nèi)外科學(xué)家都在積極在此領(lǐng)域耕耘，期待在不久的將來微型軟體機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)真正的臨床應(yīng)用。
