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新型电磁喷雾将物体转化为生物医学应用的毫微机器人

时间:2021-08-18 来源网站:成都化工机械网

新型电磁喷雾将物体转化为生物医学应用的毫微机器人

由香港城市大学(CityU)的科学家领导的一项联合研究开发了一种通过用胶水状磁喷涂剂涂覆物体来制造Millirobots的简单方法。在磁场的驱动下,被涂物体可以在不同的表面上爬行,行走或滚动。由于磁性涂层具有生物相容性,可以在需要时分解成粉末,因此该技术证明了生物医学应用的潜力,包括导管导航和药物输送中国机械网okmao.com。

研究团队由城大生物医学工程系(BME)副教授沉亚静博士与中国科学院深圳先进技术研究院(SIAT)合作。该研究结果已发表在科学期刊《科学机器人》上,标题为“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。”

用“磁性外套”将物体转变成毫微机器人

科学家一直在开发可以适应不同环境的探索和生物医学应用的微型机器人或昆虫规模的机器人。

沉博士的研究团队提出了一种简单的方法,可以通过使用复合胶状磁喷涂剂(称为M喷涂)对物体进行涂层来构造毫微微机器人。“我们的想法是,通过穿上这种“磁性外套”,我们可以将任何物体变成机器人并控制它们的运动。我们开发的M喷雾可以粘在目标物体上,并在由磁性物体驱动的情况下“激活”物体领域”,沉博士解释说。

M喷涂由聚乙烯醇(PVA),面筋和铁颗粒组成,可立即,稳定且牢固地粘附在一个(1D),两个(2D)或三维(3D)物体的粗糙和光滑表面上。它在表面上形成的膜厚度仅为0.1至0.25mm,足够薄以保留物体的原始尺寸,形式和结构。

用M喷涂对物体进行涂层后,研究人员将其磁化方向为单方向或多方向,这可以控制磁场如何移动物体。然后他们在物体上加热直到涂层固化。

这样,当受到磁场驱动时,这些对象可以在玻璃,皮肤,木材到沙子的各种表面上转换为具有不同运动模式(例如爬行,翻转,步行和滚动)的毫微机器人。该小组通过将棉线(1D),折纸(2D平面),聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜(2D弯曲/软表面)和塑料管(3D圆形物体)转换为软爬行动物机器人,多足机器人,行走机器人和滚动机器人。

按需重新编程以更改运动模式

使这种方法与众不同的是,团队可以根据需要对Millirobot的运动模式进行重新编程。

本文的第一作者杨雄先生解释说,按照惯例,机器人的初始结构通常在构造后就固定下来,从而限制了它在运动中的多功能性。但是,通过将固化的M喷涂涂层完全润湿以使其像胶一样具有粘性,然后通过施加强磁场,可以改变M喷涂涂层的磁性颗粒的分布和排列方向(易磁化轴)。

他们的实验表明,相同的millirobot可以在不同的运动模式之间切换,例如从在宽敞的环境中更快的3D毛毛虫运动到在狭窄间隙中通过的较慢的2D六角琴运动。

航行能力和崩解性

此可重新编程的致动功能也有助于导航至目标。为了探索生物医学应用的潜力,研究小组使用导管进行了实验,该导管被广泛用于插入体内以治疗疾病或进行外科手术。他们证明了采用M喷涂涂层的导管可以进行急转弯或平滑转弯。并且血/液流对涂有M喷涂导管的运动能力和稳定性的影响是有限的。

通过根据交货任务和环境对棉线不同部分的M喷涂涂层进行重新编程,他们进一步表明,它可以实现快速转向并顺利通过不规则,狭窄的结构。沉博士指出,从临床应用的角度来看,这可以防止插入过程中喉壁意外下沉。他说:“基于任务的重编程为在复杂的食道,血管和尿道中始终需要导航的导管操作提供了广阔的前景。”

该技术的另一个重要特征是,可以通过控制磁场按需将M喷涂涂层分解成粉末。沉博士说:“ M喷涂的所有原材料,包括聚乙烯醇,面筋和铁颗粒,都是生物相容的。崩解的涂层可能被人体吸收或排出。”可以忽略不计。

在兔胃中成功递送药物

为了进一步验证启用M-spray的millirobot进行药物递送的可行性和有效性,该团队对兔子和涂有M-spray的胶囊进行了体内测试。在分娩过程中,对兔子进行麻醉,并通过放射成像跟踪胶囊在胃中的位置。当胶囊到达目标区域时,研究人员通过施加振荡磁场使涂层崩解。沉博士补充说:“ M-spray的可控崩解特性使该药物能够在目标位置释放,而不是在器官中扩散。”

尽管在强酸性环境(pH值为1)下,M喷涂涂层将在约八分钟内开始崩解,但研究小组表明,M喷涂涂层表面上的附加PVA层可将其延长至约15分钟。如果用镍颗粒代替铁颗粒,即使在30分钟后,该涂层也可以在强酸性环境中保持稳定。

“我们的实验结果表明,使用M型喷雾器可以构建不同的Millirobot,以适应各种环境,地面条件和障碍。我们希望这种构建策略能够为Millirobots在不同领域的开发和应用做出贡献,例如主动运输,可移动传感器和设备,特别是在有限空间内的任务。”沉博士说。

这项研究得到了中国国家自然科学基金会和香港研究资助局的支持。