無論是科幻愛好者還是游泳冠軍菲爾普斯，都將會對研究人員最近完成的一個壯舉感興趣。這個實(shí)驗(yàn)利用旋轉(zhuǎn)的磁場，讓很多微型的、由磁性顆粒組成的機(jī)器人在一個微流體環(huán)境中連接成許多“鏈條”，以驚人的速度游動。這一發(fā)現(xiàn)是醫(yī)學(xué)上利用人稱“微型游泳機(jī)器人”在人體內(nèi)進(jìn)行藥物輸送和手術(shù)方面取得的最新進(jìn)展。
通過以一定的頻率旋轉(zhuǎn)磁場，機(jī)器人組成的鏈條將會分裂成很多單個的、可進(jìn)行單獨(dú)控制的機(jī)器人
通過以一定的頻率旋轉(zhuǎn)磁場，機(jī)器人組成的鏈條將會分裂成很多單個的、可進(jìn)行單獨(dú)控制的機(jī)器人
Drexel大學(xué)的研究員在工程學(xué)院教授MinJun Kim博士的領(lǐng)導(dǎo)下，成功地完成了一個壯舉，無論是科幻愛好者還是游泳冠軍菲爾普斯，都將會對這一壯舉感興趣。他們利用旋轉(zhuǎn)的磁場，讓很多微型的、由磁性顆粒組成的機(jī)器人在一個微流體環(huán)境中連接成許多“鏈條”，以驚人的速度游動。這一發(fā)現(xiàn)是醫(yī)學(xué)上利用“微型游泳機(jī)器人”（ microswimmer robot）在人體內(nèi)進(jìn)行藥物輸送和手術(shù)方面取得的最新進(jìn)展。
在自然科學(xué)報告雜志（Nature Scientific Reports）最近發(fā)表的一篇論文中，化學(xué)工程師描述了他們利用磁場讓磁性顆粒在游動過程中彼此連接及解除連接、并在磁場中對解除了耦合連接的單個機(jī)器人進(jìn)行單獨(dú)控制的過程。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有助于推進(jìn)使用微型機(jī)器人在靜脈內(nèi)進(jìn)行有目標(biāo)的藥物輸送、手術(shù)以及癌癥治療。
“我們相信微型游泳機(jī)器人有一天將被用于進(jìn)行醫(yī)療手術(shù)，并為人體中受感染的部位帶來更為直接的治療，”Drexel大學(xué)工程學(xué)院的研究者博士后U Kei Cheang說。他是上面所說論文的主要作者。他說，“對于這類型的工作這種機(jī)器人具有很高的效率，因?yàn)樗鼈冊诤芏嗖煌纳锃h(huán)境中都能夠被準(zhǔn)確地引導(dǎo)到目的地，例如流動的血液中以及腫瘤內(nèi)部的微環(huán)境中。”
一個重要的發(fā)現(xiàn)是，較長的機(jī)器人鏈條能夠游動得比較短的鏈條更快。他們從僅有三個磁性顆粒的最短鏈條開始，逐漸組建更長的鏈條進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。研究小組發(fā)現(xiàn)的最長的鏈條擁有13個磁性顆粒，游動的速度高達(dá)17.85微米每秒。
Drexel大學(xué)的工程師們在過去的將近十年里都在試圖增進(jìn)對生物醫(yī)藥用途的微型機(jī)器人的了解，目的在于讓由微型機(jī)器人組成的鏈條在人體中運(yùn)動，然后通過解除耦合的分散的微型機(jī)器人來將攜帶的藥物運(yùn)送至目標(biāo)或者對目標(biāo)進(jìn)行治療。
這次取得的進(jìn)展在于，能夠使用一個單一的磁場來控制幾乎是全能的微型機(jī)器人來完成多種任務(wù)。
微型機(jī)器人鏈條是通過旋轉(zhuǎn)來移動的，它們排列成長長的螺絲狀，與旋轉(zhuǎn)的外部磁場同步地旋轉(zhuǎn)，螺旋槳式前進(jìn)。因此，磁場旋轉(zhuǎn)得越快，就有越多的微型機(jī)器人參與到旋轉(zhuǎn)中，它們前進(jìn)的速度就越快。這一動態(tài)推進(jìn)系統(tǒng)也是將機(jī)器人鏈條分解成更短鏈條的關(guān)鍵。當(dāng)磁場旋轉(zhuǎn)頻率達(dá)到某一特定值時，機(jī)器人鏈條將會分裂為兩條更短的鏈條，它們可以進(jìn)行獨(dú)立的運(yùn)動。
“要讓機(jī)器人鏈條分解，我們只需要增加磁場旋轉(zhuǎn)的頻率，”Cheang說，“對一條由七個磁性顆粒組成的機(jī)器人鏈條，我們將磁場旋轉(zhuǎn)頻率增加10-15周，流體動力所產(chǎn)生的作用力將導(dǎo)致鏈條發(fā)生形變，產(chǎn)生卷曲效應(yīng)，從而導(dǎo)致整個鏈條分解為由三個顆粒和四個顆粒組成的兩條鏈條。”
鏈條分解后，可以繼續(xù)通過調(diào)整磁場，讓三顆粒鏈條與四顆粒鏈條朝不同的方向移動。因?yàn)轭w粒是具有磁性的，它們還可以重新連接，只需調(diào)整磁場讓它們的異性磁極回到相互吸引的位置。研究團(tuán)隊(duì)還總結(jié)出了可以促進(jìn)機(jī)器人鏈條重新連接的最佳的旋轉(zhuǎn)頻率與角度。
這一發(fā)現(xiàn)其實(shí)是另一個更大的研究課題中的重要部分，Drexel大學(xué)正與來自全世界的10家研究和醫(yī)療機(jī)構(gòu)聯(lián)合開發(fā)用于治療動脈阻塞的微創(chuàng)手術(shù)技術(shù)。
“為了使這一發(fā)現(xiàn)應(yīng)用于藥物輸送和微創(chuàng)手術(shù)，將來的研究需要證明不同配置的機(jī)器人鏈條可以在多種復(fù)雜環(huán)境中實(shí)現(xiàn)正確引導(dǎo)，以及可以在操作過程中建立起不同的機(jī)器人鏈條來完成不同的任務(wù)，”論文作者這樣說，“但我們相信，對我們研究中討論的機(jī)器人鏈條裝配過程進(jìn)行機(jī)械學(xué)的研究，可以幫助將來人們開發(fā)能夠完成這方面重要工作的裝置。”
