科技 | 中国科学家发明磁性喷雾剂,简单喷一喷即可快速“制造”机器人,已在生物医学领域初步应用

近日,香港城市大学生物医学工程系(BME)副教授申亚京博士与中国科学院深圳先进技术研究院(SIAT)合作,成功开发出了一种制造毫米级(Millirobots)机器人的方法。该方法只需要在毫米机器人表面喷涂磁性喷雾剂,在磁场驱动下,被涂物体就能在不同的表面上爬行、行走或者滚动。

由于磁性涂层具有生物相容性,可以在需要时分解成粉末,因此该技术具有生物医学应用的潜力,包括导管导航和药物输送。

该研究成果于2020年11月18日发表于科学杂志《科学机器人》(Science Robotics)上。题目为 “An agglutinate magnetic spray transforms inanimate objects into millirobots for biomedical applications”(凝集磁性喷雾将无生命的物体转化为用于生物医学应用的毫微机器人)。

中国科学家发明磁性喷雾剂,简单喷一喷即可快速“制造”机器人,已在生物医学领域初步应用

图|申亚京团队

 

磁性外套是制造毫米机器人的关键

一直以来,科学家在寻找能够适应不同环境且能用于生物医学的微型机器人。申教授团队采用了一种简单的方法,给物体覆盖磁性外衣,然后用磁场驱动。根据申博士的介绍,“磁性外套” 可以将任何物体变成机器人并且控制它们运动。

这种神奇的磁性外套又叫M-spray,是由聚乙烯醇(PVA)、麸质蛋白(Gluten)和铁微粒(Iron Particles)组成,可以在瞬间稳固地粘附在一维、二维或三维物体的表面上,无论这个表面是粗糙还是光滑。M-Spray能够在物体表面形成厚度为0.1-0.25毫米的薄膜,足以保留物体的原始尺寸、形式和结构。

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图|研究团队向物体表面喷涂M-Spray

当受到磁场驱动时,这些机器人可以在玻璃、皮肤、乃至木头到沙子表面进行多种形式的运动,例如爬行、翻转、步行和滚动。该团队还通过棉线、折纸或者塑料管将物体转化成更复杂的爬行动物机器人、多足机器人或者滚动机器人。

中国科学家发明磁性喷雾剂,简单喷一喷即可快速“制造”机器人,已在生物医学领域初步应用

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一般来说,微型机器人在结构固定之后,其运动模式基本确定,很难发生改变。但申博士团队的微型机器人突破了这一点。通过将M-Spray粘在物体表面,再通过对其施加强磁场,就可以改变M-spray涂层的磁性颗粒的分布方向和排列方向,以实现对微型机器人运动方式的灵活控制。

 

实验表明,喷涂了磁性外套的微型机器人,能够在不同运动模式之间灵活切换。比如宽敞环境下可以以3D毛毛虫的形式运动,而到了狭窄区域,则能以平面(2D)方式 运动。

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已在兔子体内测试

为了进一步验证毫米机器人在药物递送上的应用可能性,申博士团队在兔子体内进行了相关测试。对兔子麻醉后,通过放射成像追踪兔子体内涂有磁性外套的胶囊,当胶囊达到目标区域后,研究人员施加震荡磁场使其分解。申博士介绍说:“M-Spray的可控分解特性,能够让药物在目标位置释放,而不是在器官中扩散。”

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在强酸环境(PH=1)下,M-Spray 涂层8分钟后分解。但如果在其表面附加PVA 层,能延长到15分钟,再用镍颗粒代替铁颗粒,则可坚持30分钟以上。这表明其在生物体内进行长距离药物输送是可能的。

“ 我们的实验结果表明,可以用 M-spray 构建不同的毫米级机器人,以适应各种环境、表面条件和障碍物。 我们希望这种方法能够促进毫米级机器人在不同领域的开发和应用,比如主动运输、可移动传感器和设备,特别是在有限空间内的任务。” 研究人员说。

 

 

原文始发于微信公众号(中国机械工程学会):中国科学家发明磁性喷雾剂,简单喷一喷即可快速“制造”机器人,已在生物医学领域初步应用

 

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