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(qū)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(qū)動完成復(fù)雜任務(wù)，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。盡管針對磁性軟機器人提出了多種材料和設(shè)計，但在小磁場下產(chǎn)生強驅(qū)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(xué)唐敬達副教授和華中科技大學(xué)鄧謙副教授研究團隊利用3D打印水凝膠開發(fā)了具有關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)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(shù)中具有潛在應(yīng)用。相關(guān)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(guān)節(jié)可以將彎曲變形轉(zhuǎn)化為折疊變形，關(guān)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(yīng)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(yīng)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(qū)體、納米粘土和釹鐵硼(NdFeB)微粒構(gòu)成(圖1f)。

圖1 磁性節(jié)肢微型機器人的設(shè)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(chǎn)生較大的撓度。為了預(yù)測梁的變形，研究者對其進行了有限元(FE)模擬。結(jié)果表明，在相同彎曲角度下，折疊模態(tài)的應(yīng)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(yīng)變能隨著彎曲角度的增大而增大。而極薄的接頭通常會導(dǎo)致接頭區(qū)域結(jié)構(gòu)脆弱，應(yīng)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(jié)構(gòu)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(fù)雜的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)更高級的功能。圖3中的軟結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的磁化曲線進行編程。結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同形狀的材料均能對磁場做出響應(yīng)，變化出不同的動作。

圖3 磁軟結(jié)構(gòu)的形狀變化

研究者進一步設(shè)計了一種具有多種運動方式的六臂結(jié)構(gòu)(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(chǎn)生的梯度磁場對微型機器人進行驅(qū)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(wù)。

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(jié)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(nèi)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(shè)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(nèi)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(jié)構(gòu)與關(guān)節(jié)的設(shè)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