西安交大唐敬達/華科鄧謙團隊：用于微創(chuàng)治療的3d打印仿生微型機器人

來源： EngineeringForLife

磁性驅動的小型軟機器人由于其快速、可編程變形，能夠遠程、無繩驅動完成復雜任務，在生物醫(yī)學領域具有廣闊的應用前景。盡管針對磁性軟機器人提出了多種材料和設計，但在小磁場下產生強驅動仍然具有挑戰(zhàn)性。受節(jié)肢動物物種的啟發(fā)，來自西安交通大學唐敬達副教授和華中科技大學鄧謙副教授研究團隊利用3D打印水凝膠開發(fā)了具有關節(jié)結構的磁性軟微型機器人，這種磁性節(jié)肢動物微型機器人在外科手術中具有潛在應用。相關論文“Magnetic Arthropod Millirobots Fabricated by 3D-Printed Hydrogels”發(fā)表于雜志advanced intelligent systems上。

在本文中，研究者開發(fā)了一系列仿生磁性節(jié)肢動物微型機器人。 基本變形單元是帶接頭的磁束。關節(jié)可以將彎曲變形轉化為折疊變形，關節(jié)區(qū)域局部變形。 如圖1d所示，連接的梁變形為v型(折疊模式)，而沒有連接的梁變形為u型(彎曲模式)。 顯然，v形試樣的應變能儲存更密集，且集中在銳角附近。 從圖1e可以看出，折疊模式比彎曲模式更節(jié)能，因為要達到與彎曲模式相同的彎曲角度，折疊模式所需的應變能更少。 在這里，研究者用墨水打印的磁性水凝膠制造了磁性節(jié)肢動物微型機器人。該油墨由微凝膠增強聚丙烯酰胺(PAAm)水凝膠前驅體、納米粘土和釹鐵硼(NdFeB)微粒構成(圖1f)。

圖1 磁性節(jié)肢微型機器人的設計與制造

首先，研究者研究了作為基本單元的連接懸臂梁的變形。從圖2a可以看出，在相同的外加磁場作用下，連接梁的彎曲角度比沒有連接梁的彎曲角度大。這是因為連接區(qū)域的厚度較小，彎曲剛度較低，因此在相同的外加磁場下產生較大的撓度。為了預測梁的變形，研究者對其進行了有限元(FE)模擬。結果表明，在相同彎曲角度下，折疊模態(tài)的應變能約為彎曲模態(tài)的一半(圖2b)。并且接頭越薄，彎曲角度越大，梁的應變能隨著彎曲角度的增大而增大。而極薄的接頭通常會導致接頭區(qū)域結構脆弱，應力集中。因此，在實驗中采用中等厚度比(0.4 - 0.6)來降低磁軟結構的變形能力和機械強度。

圖2 彎曲和折疊

接下來研究者嘗試將連接梁擴展到更復雜的結構，實現(xiàn)更高級的功能。圖3中的軟結構是用微凝膠、納米粘土和NdFeB 制備的。采用模板輔助磁化的方法，按需對印刷結構的磁化曲線進行編程。結果發(fā)現(xiàn)不同形狀的材料均能對磁場做出響應，變化出不同的動作。

圖3 磁軟結構的形狀變化

研究者進一步設計了一種具有多種運動方式的六臂結構(圖4)。微型機器人的磁化曲線如圖4a的中心方案所示，其中手臂的磁化強度是向下的，主體的磁化強度是向上的。利用永磁體產生的梯度磁場對微型機器人進行驅動和控制。通過改變外加磁場的幅度和方向，可以控制微型機器人完成一系列的任務。

圖4 多模式運動的六臂節(jié)肢微型機器人

最后研究者使用六臂微型機器人在豬器官體外進行異物取出實驗。在異物實驗之前，研究者使用小鼠胚胎成纖維細胞測試了磁性水凝膠的生物相容性。結果顯示，24h培養(yǎng)后，相對細胞存活率為90%(圖5c)，表明磁性水凝膠表面的毒性水平是可接受的。研究者演示了使用微型機器人在豬主動脈中取出異物(圖5d)。整個過程在10秒內完成。在豬胃和豬腸中可進行同樣的操作(圖5e-f)。

圖5 利用磁性節(jié)肢動物微型機器人清除異物

綜上所述，研究者提出了用3d打印制作磁性節(jié)肢動物軟微機器人。并且設計了一種具有多模態(tài)運動的六臂節(jié)肢微型機器人，用于異物清除。值得注意的是，微型機器人用于異物清除的演示還非常初級，沒有任何體內驗證。對于微型機器人的效用評估還需要進行更多的研究。但3d打印結構與關節(jié)的設計理念可以擴展到更多的磁性軟機器人。

文章來源：
https://doi.org/10.1002/aisy.202100139