用于纖維功能化的浮動(dòng)磁性微型機(jī)器人

微創(chuàng)外科手術(shù)越來(lái)越多地用于靶向小病變，并且對(duì)微型醫(yī)療工具的需求不斷增長(zhǎng)。這些包括微導(dǎo)管，鉸接的微型鑷子或鑷子，用于在精密手術(shù)中進(jìn)行感應(yīng)和促動(dòng)?；瘜W(xué)和物理傳感器的準(zhǔn)確集成和功能化仍然是主要挑戰(zhàn)。在一項(xiàng)關(guān)于科學(xué)機(jī)器人的新研究中，中國(guó)醫(yī)療機(jī)器人研究所和倫敦哈林機(jī)器人手術(shù)中心的Antoine Barbot及其同事開發(fā)了一種新型的微機(jī)器人平臺(tái)，以對(duì)140至830微米(µm)的纖維進(jìn)行功能化。然后，他們使用濕轉(zhuǎn)移工藝將2 mm x 3 mm和200 µm厚的微型機(jī)器人對(duì)準(zhǔn)纖維上的浮動(dòng)電子電路。

科學(xué)家使用永磁體控制微型機(jī)器人在空氣-水界面處的位置和方向。他們利用磁體的非均勻磁場(chǎng)控制了兩個(gè)微型機(jī)器人之間的精確距離，并通過(guò)浮動(dòng)電子圖案促進(jìn)了“抓取和釋放”的操縱。Barbot等。他提出了這種控制過(guò)程的模型，包括微機(jī)器人通過(guò)表面張力的相互作用，以進(jìn)行詳細(xì)的性能驗(yàn)證。他們演示了在直徑200 µm的光纖和3-D設(shè)備上的各種示例傳感器實(shí)施例。

臨床上對(duì)改善醫(yī)療監(jiān)視和診斷的重視使外科手術(shù)的未來(lái)轉(zhuǎn)向了精確干預(yù)。最近在纖維上形成機(jī)械手的機(jī)器人工具的引入使研究人員能夠在單根纖維內(nèi)結(jié)合成像，傳感和顯微操作?？梢允褂秒p光子聚合將精密的微夾具直接設(shè)計(jì)在纖維的尖端上。研究人員可以使用利用微毛細(xì)管功能的液壓連桿來(lái)建立微致動(dòng)，以將該設(shè)備用于靶向藥物輸送和聚焦能量(例如激光消融)。光纖是開發(fā)靈活的微型工具的通用基材。它們的表面提供了理想的位置，可以沿其長(zhǎng)度包括多個(gè)傳感器。

頂部：具有不同首選磁化方向的浮動(dòng)微型機(jī)器人：制造和控制原理。(A)微型機(jī)器人的制造。使用環(huán)形磁體在材料中編程了不同的磁化方向。(二)在本研究中使用的夾緊機(jī)制。微型機(jī)器人根據(jù)磁體的垂直位置一起移動(dòng)或分開移動(dòng)，從而可以有效地夾緊要轉(zhuǎn)印的圖案，然后進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和方向控制。底部：PDMS矩陣內(nèi)部的鐵線方向。(A)聚合物/鐵混合物的Micro-CT重建。在聚合物固化過(guò)程中，鐵線與磁場(chǎng)方向?qū)R。(B)鐵線方向與位置。鐵線的方向遵循固化磁場(chǎng)的方向。圖片來(lái)源：Science Robotics，doi：10.1126 / scirobotics。

然而，將微電子器件直接圖案化到用于臨床應(yīng)用的彎曲小物體上是具有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)楝F(xiàn)有的微加工工藝主要是針對(duì)平面基板而設(shè)計(jì)的。迄今為止，研究人員使用了兩種主要的傳輸方法：包括干轉(zhuǎn)移和濕轉(zhuǎn)移技術(shù)。由于沒(méi)有濕蝕刻劑和流體干擾，與濕轉(zhuǎn)移相比，干轉(zhuǎn)移通常提供更好的清潔度和更高的精度。在外科手術(shù)中可能發(fā)生的濕轉(zhuǎn)移技術(shù)受到精確定位和ing起漂浮裝置的困難的限制。這是由于缺少用于精確實(shí)際方法的精密工具或機(jī)器人平臺(tái)。因此，微型機(jī)器人操縱器可以解決手動(dòng)濕轉(zhuǎn)移方法面臨的一些主要問(wèn)題。

在目前的工作中，Barbot等人。提出在空氣/水界面使用移動(dòng)微型機(jī)器人來(lái)精確控制濕轉(zhuǎn)印期間的圖案運(yùn)動(dòng)。為了促進(jìn)簡(jiǎn)單和精確的控制，科學(xué)家提議開發(fā)一對(duì)微型機(jī)器人來(lái)掌握浮動(dòng)模式。他們使用單個(gè)永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)此目的，該永磁體被耦合以調(diào)整機(jī)器人組成材料的磁化方向。Barbot等。利用微型機(jī)器人和磁場(chǎng)之間的相互作用將微型機(jī)器人對(duì)定位在空氣/水界面的兩個(gè)不同位置，并形成抓取器。

基于微型機(jī)器人的模式抓取和操縱。圖片來(lái)源：Science Robotics，doi：10.1126 / scirobotics.aax8336

研究人員通過(guò)控制設(shè)備與磁鐵之間的距離來(lái)控制兩個(gè)微型機(jī)器人之間的距離。他們使用彈性體和聚二甲基硅氧烷(PDMS)混合鐵粉來(lái)構(gòu)造設(shè)備。對(duì)于給定的實(shí)驗(yàn)，Barbot等人。使每個(gè)微型機(jī)器人磁化，以對(duì)給定磁場(chǎng)做出類似反應(yīng)?？茖W(xué)家在弱磁場(chǎng)的影響下使用了200 µm的PDMS和鐵混合物層，將鐵線組裝到PDMS矩陣中。他們對(duì)PDMS進(jìn)行了熱固化，以使鐵線結(jié)構(gòu)保持在適當(dāng)?shù)奈恢?，并使用X射線顯微斷層照相術(shù)評(píng)估了產(chǎn)品的方向。

科學(xué)家利用鐵/ PDMS層的不同部分開發(fā)了具有自定義磁化方向的微型機(jī)器人，從而形成了厚度為200mm的尺寸為2mm x 3mm的矩形機(jī)器人。他們?cè)谖⑿蜋C(jī)器人上增加了小的牙齒狀結(jié)構(gòu)，以限制抓握過(guò)程中圖案的運(yùn)動(dòng)。該團(tuán)隊(duì)觀察了不同微型機(jī)器人對(duì)的位置以及它們對(duì)磁體不同垂直位置的響應(yīng)，以獲得微型機(jī)器人對(duì)的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)模式，具體取決于它們的磁化強(qiáng)度與水平面之間的角度(α)。

Barbot等。設(shè)計(jì)了微型機(jī)器人，并允許磁鐵的高度控制兩個(gè)機(jī)器人之間的距離，并調(diào)節(jié)微型機(jī)器人抓爪的打開和關(guān)閉?？茖W(xué)家將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬進(jìn)行了比較，以了解微型機(jī)器人之間的相互作用。他們觀察到四個(gè)自由度(DOF)來(lái)控制微型機(jī)器人對(duì)。其中包括濕轉(zhuǎn)移過(guò)程中的抓握(一個(gè)自由度)，定位(兩個(gè)自由度)和方向(一個(gè)自由度)。科學(xué)家使用這四個(gè)可控制的輸入來(lái)操縱浮動(dòng)模式。他們將鐵/ PDMS混合物的磁化特性表征為一致的微型機(jī)器人設(shè)計(jì)的一般指南。

該團(tuán)隊(duì)優(yōu)化了擬議的微型機(jī)器人輔助濕傳輸方法，以設(shè)計(jì)各種設(shè)備。他們通過(guò)將具有圖案的纖維轉(zhuǎn)移到印刷電路板上來(lái)形成電子設(shè)備，并使用25 µm的金線實(shí)現(xiàn)了電連接。他們形成了這種電化學(xué)傳感器，可用于微導(dǎo)管中和其他可植入設(shè)備?？茖W(xué)家還展示了使用幾層不同材料的制造技術(shù)，以在直徑200 µm的玻璃纖維上形成一個(gè)兩端石墨烯器件。他們選擇石墨烯是因?yàn)樵摬牧暇哂歇?dú)特的電極特性。他們使用該方法將有源機(jī)電設(shè)備集成到3-D基板上，然后在復(fù)雜的3-D結(jié)構(gòu)上進(jìn)行構(gòu)圖。例如，他們?cè)?70 µm玻璃毛細(xì)管纖維尖端微型工具(使用雙光子光刻技術(shù)制造)上轉(zhuǎn)移了Au圖案。這項(xiàng)工作將為使用混合微細(xì)加工技術(shù)在微觀規(guī)模上設(shè)計(jì)復(fù)雜的機(jī)電設(shè)備鋪平道路，該技術(shù)在精確的臨床生物標(biāo)志物檢測(cè)和精確手術(shù)中具有廣泛的應(yīng)用。

這樣，Antoine Barbot和一組跨學(xué)科的研究人員提出了一種實(shí)用的解決方案，可以將微米級(jí)精度的薄膜和2-D晶體濕轉(zhuǎn)移到3-D基板上。他們開發(fā)了一種浮動(dòng)磁微型機(jī)器人，該機(jī)器人能夠存儲(chǔ)首選的磁化方向，以便在永久磁場(chǎng)下對(duì)其進(jìn)行操縱。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)調(diào)整磁體的位置來(lái)微調(diào)機(jī)器人微型抓爪，以抓取，對(duì)齊和釋放浮動(dòng)的二維圖案。

提議的設(shè)置簡(jiǎn)單，可重復(fù)且可靠。新的制造技術(shù)將為介入手術(shù)中的電化學(xué)傳感器，微致動(dòng)器和復(fù)雜的二維電子設(shè)備打開新的應(yīng)用領(lǐng)域。Barbot等人的未來(lái)重點(diǎn)。它將包括基于多層范德華2-D晶體的工程分層設(shè)備，以將活性成分整合到纖維尖端上，并最終形成可驅(qū)動(dòng)和感應(yīng)能力驅(qū)動(dòng)的納米級(jí)或微米級(jí)纖維機(jī)器人。