微型機(jī)器人的生物醫(yī)用近年來引起了極大關(guān)注，尤其在傳統(tǒng)醫(yī)療設(shè)備難以觸及的狹窄管腔內(nèi)精確藥物遞送方面表現(xiàn)出巨大潛力（Nelson and Pané, Science 2023, 382, 1120）。這些能夠變形并根據(jù)需要進(jìn)行移動(dòng)的微型機(jī)器人有望改變對人體內(nèi)管腔病變，如胃腸道和血液循環(huán)系統(tǒng)的治療方法。由于這些機(jī)器人在人體內(nèi)工作環(huán)境通常為非可視，因此，有效的定位跟蹤技術(shù)對于提供關(guān)鍵的位置信息反饋至關(guān)重要，這有助于指導(dǎo)機(jī)器人的精確操作和移動(dòng)。鑒于此，開發(fā)用于微型機(jī)器人定位和跟蹤的新型技術(shù)已成為當(dāng)前科學(xué)研究的焦點(diǎn)和前沿領(lǐng)域。這些技術(shù)的進(jìn)步對于優(yōu)化微型機(jī)器人在復(fù)雜人體環(huán)境中的導(dǎo)航和操作，以及提高治療效率和精度具有重要意義。
在微型機(jī)器人體內(nèi)跟蹤領(lǐng)域的當(dāng)前研究（O. G. Schmidt et al., ACS Nano 2020, 14, 9, 10865; W. Gao et al., Chem. Soc. Rev. 2020,49, 8088-8112; B. Wang and L. Zhang et al., Adv. Mater. 2021, 33, 2002047），涵蓋了多種成像技術(shù)，如熒光成像、磁共振成像（MRI）、超聲成像、放射性核素成像、光聲成像，以及近期發(fā)展的激光散斑成像技術(shù)（Guan, Li and Mou et al., Sc. Adv. 2023, 9, adk7251）。上述追蹤方式在處理人體內(nèi)不同深度和不同器官組織中微型機(jī)器人的定位和跟蹤問題方面取得了顯著成果。
本研究提出的微型機(jī)器人跟蹤模式基于液態(tài)金屬耦合的射頻識別（RFID）技術(shù)，該技術(shù)的主要優(yōu)勢在于其具有較高的跟蹤深度（最多可達(dá)10至20厘米），并且在體內(nèi)骨骼和氣泡方面的干擾極小。此外，RFID技術(shù)不產(chǎn)生電離輻射，從而在醫(yī)療機(jī)器人領(lǐng)域中為微型機(jī)器人的體內(nèi)追蹤提供了一種安全且有效的新策略。與其他跟蹤技術(shù)相比，本技術(shù)在追蹤過程中不需依賴任何笨重或龐大的設(shè)備，整體系統(tǒng)（包括筆記本電腦）的總重量不超過3公斤。這種系統(tǒng)的高可攜帶性和低成本特點(diǎn)，使其在醫(yī)療條件較差的偏遠(yuǎn)地區(qū)具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。該技術(shù)不僅為微型機(jī)器人在人體內(nèi)長距離驅(qū)動(dòng)和精確定位提供了新方案，而且為藥物精準(zhǔn)遞送提供了新思路。相關(guān)研究成果以發(fā)表在Device期刊2024年第2期，Device是Cell Press新出的器件領(lǐng)域旗艦期刊。論文第一作者為化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院本科生葉芷澄，通訊作者王奔老師。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.device.2023.100181
圖1. 在磁性致動(dòng)單元和射頻識別定位系統(tǒng)下多足機(jī)器人的胃內(nèi)遞送的示意圖
軟體機(jī)器人的多模態(tài)運(yùn)動(dòng)
在自然界中，眾多陸生動(dòng)物和昆蟲的腿部結(jié)構(gòu)使其在行進(jìn)或奔跑時(shí)能夠減少摩擦、增加運(yùn)動(dòng)自由度并有效降低能量消耗?；趯@一生物學(xué)特性的研究和模仿，科學(xué)家們開發(fā)了多軟足微型機(jī)器人，這種機(jī)器人設(shè)計(jì)能夠適應(yīng)胃腸道等人體內(nèi)復(fù)雜地形，并減少與組織表面的附著力（Shen and Wang et al., Nat. Commun. 2018, 9, 3944）。借助于精確控制的磁驅(qū)動(dòng)單元，這些多足機(jī)器人能夠進(jìn)行形變，從而展現(xiàn)出多種運(yùn)動(dòng)模式，如沿不同軸向的卷曲、類似于潛艇的垂直浮動(dòng)，以及周期性的爬行等。
圖2. 機(jī)器人的多模態(tài)運(yùn)動(dòng)
RFID定位追蹤
多足機(jī)器人的實(shí)時(shí)定位與傳統(tǒng)高成本醫(yī)療成像設(shè)備的方法不同，它采用射頻識別（RFID）技術(shù)進(jìn)行定位。該技術(shù)通過將RFID芯片集成至機(jī)器人內(nèi)部，并利用磁控裝置來驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的連續(xù)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了對機(jī)器人位置的精準(zhǔn)追蹤。移動(dòng)信號檢測器接收來自RFID芯片的信號，從而在非直視環(huán)境中準(zhǔn)確確定機(jī)器人的位置，并描繪出其運(yùn)動(dòng)軌跡。與傳統(tǒng)的大型臨床跟蹤設(shè)備相比，RFID技術(shù)在體內(nèi)跟蹤深度方面可達(dá)10至20厘米，并且對于骨骼和體內(nèi)氣泡的干擾極小。更重要的是，RFID技術(shù)不產(chǎn)生電離輻射，從而避免了相關(guān)的健康風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，該技術(shù)的應(yīng)用降低了醫(yī)療成本并減少了患者接受輻射的風(fēng)險(xiǎn)。RFID技術(shù)在體內(nèi)微型機(jī)器人定位和跟蹤方面的應(yīng)用，有望顯著提高機(jī)器人在復(fù)雜生物環(huán)境中的導(dǎo)航和操作精度，為醫(yī)學(xué)研究和治療領(lǐng)域帶來新的突破。這種新型跟蹤方法的發(fā)展和推廣將有助于提高治療的效率和安全性。
圖3. 現(xiàn)有主流追蹤策略和液態(tài)金屬耦合RFID定位設(shè)備的特征比較
為了系統(tǒng)地驗(yàn)證液態(tài)金屬耦合RFID定位裝置的追蹤效能，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一系列定量實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)考察了在不同條件下RFID檢測信號的性能。具體包括：在多足機(jī)器人與RFID檢測器之間不同的距離、存在不同類型障礙物情況下，以及機(jī)器人相對于檢測傳感器的不同法線方向和傾角下的信號響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在厘米級距離以及多種檢測角度下，對多足機(jī)器人進(jìn)行有效的體內(nèi)跟蹤是可行的。這些研究為RFID技術(shù)在復(fù)雜生物環(huán)境中的應(yīng)用提供了重要的實(shí)驗(yàn)支持。
圖4. 多足機(jī)器人在不同距離、不同傾角、存在障礙物等情況下的定位追蹤
軟機(jī)器人在豬胃中的追蹤控制
鑒于多足機(jī)器人在人體應(yīng)用時(shí)需覆蓋較長的操作距離，設(shè)計(jì)了一種適用于人體尺度的設(shè)備。采用大型磁控設(shè)備，可在距離離體豬胃15 cm的高度操控機(jī)器人。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置中，當(dāng)機(jī)器人在體內(nèi)移動(dòng)時(shí)，信號探測器接收來自RFID芯片的信號。根據(jù)信號范圍，可以獲得機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑，并且與上述磁場的運(yùn)動(dòng)路徑基本相同。此外，通過應(yīng)用高頻交變磁場，在胃內(nèi)特定位置成功實(shí)現(xiàn)了多足機(jī)器人的磁熱藥物釋放。
圖5. 多足機(jī)器人在磁場控制下的運(yùn)動(dòng)和追蹤
總結(jié)
本研究報(bào)告了一種結(jié)合液態(tài)金屬軟電子的多足機(jī)器人，其運(yùn)動(dòng)和感知功能通過磁性和射頻效應(yīng)實(shí)現(xiàn)，可用于胃腸道中藥物遞送。在外部磁場的操控下，該機(jī)器人能夠執(zhí)行多種運(yùn)動(dòng)模式，包括卷曲翻滾、浮起潛水和爬行等，同時(shí)其位置信息可通過RFID技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程讀取。此外，還通過高頻交變磁場成功實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人搭載藥物的快速磁熱釋放。這種具有柔性和靈活性的微型機(jī)器人在實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)醫(yī)療和最小化侵入性治療方面具有巨大應(yīng)用潛力。
（來源 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院）
