新研发磁性喷雾让物件变身微型机器人 协助人体内导管插入和药物传输

香港城市大学(香港城大)科学家领导的一支联合研究团队,近日研发出在物件表面喷涂一层胶水般的磁性喷雾,便可轻易地将物件变为微型机器人。在磁场的驱动下,化身成微型机器人的物件可以于不同的表面上爬行、行走或者滚动。这种磁性喷雾生物兼容,而且所形成的外层可于有需要时崩解成粉末,令这项技术于生物医学上的应用,例如在导管插入和传输药物等方面,极具潜力。

研究团队由香港城大生物医学工程学系(BME)副教授申亚京博士领导,并与中国科学院深圳先进技术研究院( Shenzhen Institutes of Advanced Technology, Chinese Academy of Sciences, SIAT CAS)的研究人员合作。他们的研究成果刚于最新一期的科学期刊《科学•机器人学》(Science Robotics上发表,题为〈An agglutinate magnetic spray transforms inanimate objects into millirobots for biomedical applications〉

披上磁性外衣 物件即变身微型机器人 

科学家一直努力地研发能够适应不同环境,以进行探索和应用于生物医学范畴的微型机器人。

申博士的研究团队近日便研发出一种简单的微型机器人构建方法:在物件表面喷上一种特别合成、像胶水般的磁性喷雾,就可令该物件变成微型机器人。他们称这喷雾为“M-spray”。申博士解释说:“我们的构想是,基本上任何物件披上这层磁性喷雾外衣,就可以化身微型机器人,由我们控制它如何移动。我们研发的M-spray可以黏在物件表面,然后透过磁场的驱动,'激活'该物件。"

M-spray的成份是聚乙烯醇(polyvinyl alcohol, PVA)、小麦蛋白粘粉(gluten)和铁颗粒。不论物件的表面是粗糙抑或平滑,这种喷雾都可以瞬间稳定地紧贴于一维(1D)、二维(2D)和三维(3D)物件上,所形成的一层厚度只有0.1 至 0.25毫米的薄膜,并不会影响物件原来的大小、形态以及结构。

新研发磁性喷雾让物件变身微型机器人 协助人体内导管插入和药物传输
研究团队成功将棉线、折纸,聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜和胶管分别变成软体爬虫机器人、多足机器人、步行机器人和滚动机器人。(图片来源:香港城市大学)

研究人员用M-spray喷涂物件后,会因应需要,以单一或多重的磁化方向磁化该物件,使它受磁场驱动下能够移动。然后他们把物件加热,令磁性喷雾外层凝固。

就是这样,已喷有M-spray的物件受磁场驱动,就会变成微型机器人,在玻璃、皮肤、木头或沙砾等各种表面上,能以爬行、翻转、行走或者滚动等不同的方式移动。研究团队成功将棉线(1D)、折纸(2D平面),聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜(2D弯曲/柔软的表面)和胶管(3D圆桶形物体)分别变成软体爬虫机器人、多足机器人、步行机器人和滚动机器人。

可按需要重新编程以改变移动模式

团队研发的这种方法,特别之处在于机器人可以按照需要而重新编程(reprogramme),以改变机器人的移动模式。

论文共同第一作者之一的杨雄解释指出,传统机器人在制成之后,其固有形态通常无法随意更改,因此局限了他们的移动模式。然而,只要令固化后的磁性喷雾层完全湿透,再施加强力磁场,就可以改变M-spray涂层内磁性粒子的分布和排列方向(易磁化方向, easy magnetisation axis)。

团队的实验证明了以此方法,可以改变机器人的移动模式,例如机器人在一个较阔的空间里,可以用较快速、上下弯曲身体的3D毛虫移动模式前进,当重新编程之后,则能以较慢、身体如六角手风琴般伸缩的移动模式,贴着地面(2D)前进,穿过狭窄的隙缝。

具导航能力及能崩解的特性

这个重新编程驱动模式的特性,亦对目标导航有帮助。团队为探究机器人于生物医学范畴的应用潜能,遂以常用于治疗或手术的导管,进行了实验。他们证明了不论是管道中有大幅度的急转弯抑或圆滑的转弯位,喷有M-spray涂层的导管均可顺利通过,而且喷有M-spray涂层的导管的活动能力和稳定性,不会因为管道内的血液或液体的流动而受太大的影响。

团队又根据传输任务及环境,对喷有M-spray涂层的棉线的不同部分进行重新编程。实验结果进一步显示,棉线能够快速并顺利通过不规则而且狭窄的结构。申博士指出,从临床应用角度而言,这样可以避免导管在插入的过程中意外插伤喉咙。他说:“这个可视乎任务而重新编程的特性,令M-spray涂层在复杂的食道、血管和尿道中导航导管的操作应用上,具有很大的潜力。”

这项研发的另一重要特色,是可以通过控制磁场,按需要将M-spray涂层分解成粉末。申博士说: “M-spray使用的所有材料,即PVA、小麦蛋白粘粉和铁颗粒,都是生物兼容的,涂层崩解后可以被人体吸收或排出体外。”他强调,M-spray涂层崩解后的副作用可说是微不足道的。获取更多前沿科技信息访问:https://byteclicks.com

成功于活兔子的胃内传输药物

为了进一步验证运用M-spray涂层机器人传输药物的可行性和有效性,研究团队以喷涂了M-spray的胶囊于兔子身上进行活体实验。在传输过程中,兔子被全身麻醉,并以放射成像追踪胶囊在兔子胃中的位置。当胶囊到达目标位置时,研究人员就施加振动磁场,令涂层崩解。申博士补充说:“M-spray这种可控崩解的特性,令药物可以到达目标位置才被释放,而非在器官中四处散落。”

新研发磁性喷雾让物件变身微型机器人 协助人体内导管插入和药物传输
实验证明同一个机器人经重新编程后可以改变移动模式,例如这个爬虫机器人由毛虫般的移动模式,切换成如拉动六角手风琴般的移动模式。(图片来源:香港城市大学)

尽管M-spray涂层在强酸环境(pH值为1)中会在大约8分钟内便开始崩解,但研究团队发现,于涂层表面外加一层PVA层,可将崩解延迟至大约15分钟才开始。另外,如果以镍颗粒代替铁颗粒,即使在30分钟后,涂层仍然可以在强酸环境中保持稳定。

申博士说:“我们的实验结果显示,使用M-spray制成的各种微型机器人能适应不同环境、不同表面的状况以及障碍物。我们希望这种构建方法,可以开拓微型机器人在不同范畴的发展和应用,例如传输、可移动的传感器和装置等等,特别是应用于在有限空间内进行的任务。”

来自香港城大的申博士和来自中国科学院深圳先进技术研究院(SIAT CAS)的吴新宇博士,是论文的通讯作者。论文第一作者分别是香港城大BME学系的博士生杨雄,和来自SIAT CAS的尚万峰博士。其他研究团队成员是申博士团队的博士生及博士毕业生:陆豪健博士刘雁婷博士杨柳以及谭蓉

这项研究获得国家科学基金会与香港研究资助局的资助进行。

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