這是香港城市大學(xué)的最新研究成果——一個(gè)具有多腿結(jié)構(gòu)的鐵磁水凝膠微型機(jī)器人milli-robot。

 

　　三年前的《自然通訊》中，milli-robot就曾進(jìn)入大家的視線，它的身長不足2厘米，扁平的身體下布滿了細(xì)小的尖頭狀的腳，外形酷似毛毛蟲，不僅運(yùn)動(dòng)靈活，還具有極強(qiáng)的地形適應(yīng)能力，可以在器官內(nèi)壁或在完全被液體淹沒的情況下自如行動(dòng)。

 

　　同時(shí)，它能夠承載比自身重100倍的載荷，這種強(qiáng)度可與螞蟻相媲美，具有相當(dāng)于一個(gè)人舉起26座小巴士的力量！

 

　　最近，milli-robot再度進(jìn)化，研究團(tuán)隊(duì)為其更換了新的“身體”，可以在進(jìn)入人體后的48小時(shí)內(nèi)完全生物降解，為藥物輸送和其他生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用開辟新的可能性。

 

　　▍水凝膠&磁顆粒，可隨意更改腿部結(jié)構(gòu)

 

　　一些軟體微型機(jī)器人已經(jīng)被開發(fā)用于各種生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，它們獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其能夠在胃腸道凹凸不平的組織中移動(dòng)；有朝一日，它們甚至可以涂上藥物溶液，并將藥物準(zhǔn)確地輸送到身體需要的地方。

 

　　然而，大多數(shù)微型機(jī)器人是由不可降解的材料制成的，例如硅膠，這意味著如果在臨床應(yīng)用中使用它們必須通過手術(shù)切除。此外，這些材料不是那么靈活，并且不允許對(duì)機(jī)器人的特性進(jìn)行太多微調(diào)，從而限制了它們的適應(yīng)性。

 

　　為了解決以上問題，研究人員選擇豬皮的生物相容性明膠和鐵（II，III）氧化微粒，形成磁性水凝膠來制作機(jī)器人，不僅可以實(shí)現(xiàn)生物降解，這種水凝膠可以很容易地拉伸到原始長度的200%，其中充足且自對(duì)準(zhǔn)的磁性微粒還能在磁場(chǎng)輸入下快速響應(yīng)。

 

　　將磁性水凝膠放在永磁體上方可以讓溶液中的微粒將凝膠向外推，沿著磁場(chǎng)線形成昆蟲狀的“腳”，磁鐵放置的不同位置可以改變腿的形狀，比如放遠(yuǎn)一點(diǎn)，機(jī)器人的腳會(huì)更少更長。

 

　　通過氧化鐵微粒在凝膠內(nèi)形成磁鏈，這些小腳可以沿磁場(chǎng)方向進(jìn)行磁化，并能在施加外加磁場(chǎng)時(shí)產(chǎn)生磁力矩從而控制其彎曲，產(chǎn)生爪狀抓握動(dòng)作。

 

　　最后一步是將材料浸泡在硫酸銨中以引起水凝膠中的交聯(lián)，使其更加堅(jiān)固。改變各種因素，例如硫酸銨溶液的成分、凝膠的厚度或磁場(chǎng)的強(qiáng)度，研究人員可以調(diào)整機(jī)器人的特性。

 

　　▍多種形式攜帶藥物，48小時(shí)內(nèi)完全降解

 

　　為了試驗(yàn)機(jī)器人未來在人體中的應(yīng)用，科研人員制作了一個(gè)胃部模型，讓機(jī)器人攜帶藥物進(jìn)入胃部。它可以以多種形式攜帶藥物，比如用柔軟的腳“抓”住一個(gè)膠囊，工作步驟大概分幾步：夾持、滾動(dòng)、打開、翻轉(zhuǎn)和釋放。

 

　　機(jī)器人在夾持運(yùn)動(dòng)中保持完全包裹的狀態(tài)，可由磁鐵繞z軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)；當(dāng)磁鐵向前旋轉(zhuǎn)時(shí)，機(jī)器人開始滾動(dòng)起來；接下來，磁鐵沿著y軸向下移動(dòng)，并逐漸張開身體，恢復(fù)到初始狀態(tài)，通過操作磁鐵繞x軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，機(jī)器人就會(huì)被翻轉(zhuǎn)，為卸貨做準(zhǔn)備。此時(shí)地面上的機(jī)器人由其雙腿支撐，可以通過類似夾持的動(dòng)作執(zhí)行貨物釋放。

 

　　除了固體藥物外，機(jī)器人還可以通過三維（3D）交聯(lián)聚合物網(wǎng)絡(luò)攜帶藥物，簡(jiǎn)單來說，就是把“腳尖”浸入藥物中，然后在進(jìn)入人體后，可將藥物溶于體內(nèi)。

　　在胃模型中，通過夾持運(yùn)動(dòng)，腿在滾動(dòng)過程中不會(huì)接觸胃壁，藥物也不會(huì)被釋放。達(dá)靶區(qū)后，腿部通過翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與水接觸，藥物通過自由擴(kuò)散釋放到水中；2h后，機(jī)器人開始明顯降解，在12 h內(nèi)幾乎分離成小塊；48小時(shí)后，已經(jīng)看不到機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，只剩余少量的磁性微粒。

 

　　這篇文章發(fā)表在《ACS Applied Polymer Materials》(ACS應(yīng)用高分子材料)期刊上，文章標(biāo)題為“Soft Tunable Gelatin Robot with Insect-like Claw for Grasping,Transportation,and Delivery”。

 

　　研究人員表示，“極強(qiáng)的攜帶能力，高效的運(yùn)動(dòng)和良好的越障能力，使這款毫機(jī)器人非常適合在惡劣環(huán)境中使用，例如通過消化系統(tǒng)將藥物輸送到指定地點(diǎn)，或進(jìn)行醫(yī)療檢查，并且它完全可生物降解，可以為藥物輸送等生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用提供新的可能性。”