帶有多重腿的微型軟機(jī)器人為人體內(nèi)的藥物輸送鋪平了道路

香港城市大學(xué)(CityU)的研究人員開發(fā)出一種小巧柔軟的機(jī)器人，具有類似履帶的腿，能夠承受重載并適應(yīng)惡劣環(huán)境。這種迷你送貨機(jī)器人可以為醫(yī)療技術(shù)進(jìn)步鋪平道路，例如人體內(nèi)的藥物輸送。

在全世界范圍內(nèi)，一直在研究軟毫機(jī)器人。但是，城大的新設(shè)計顯著減少了摩擦，因此機(jī)器人可以在體內(nèi)排列或完全浸入體液(如血液或粘液)內(nèi)的表面內(nèi)有效移動。該研究結(jié)果已發(fā)表在Nature Communications上，題為“一種在干濕條件下均能發(fā)揮作用的生物靈感多齒軟米羅比特機(jī)器人”。

生物啟發(fā)的機(jī)器人設(shè)計

這個毫機(jī)器人有數(shù)百個長而尖的腿，長度不到1毫米，類似于微小的毛發(fā)。研究小組研究了數(shù)百種地面動物的腿部結(jié)構(gòu)，包括有兩條，四條，八條或更多腿的動物，并特別研究了腿長與腿之間的間隙之間的比例。“大多數(shù)動物的腿長與腿間隙比為2：1到1：1。所以我們決定用1：1的比例制造我們的機(jī)器人，”城大生物醫(yī)學(xué)系助理教授沉雅靜博士解釋說。工程(BME)，領(lǐng)導(dǎo)該研究。

機(jī)器人的身體厚度約為0.15毫米，每條錐形腿長0.65毫米，腿之間的間隙約為0.6毫米，腿長與間隙比約為1：1。此外，機(jī)器人的尖腿大大減少了它們的接觸面積，從而減少了與表面的摩擦。實驗室測試表明，在干濕環(huán)境下，多腿機(jī)器人的摩擦力比無肢機(jī)器人低40倍。

除了多腿設(shè)計外，材料也很重要。該機(jī)器人采用稱為聚二甲基硅氧烷(PDMS)的硅材料制造，內(nèi)嵌磁性顆粒，可通過電磁力遠(yuǎn)程控制。“材料和多腿設(shè)計都極大地改善了機(jī)器人的疏水性。此外，橡膠部件柔軟，可以輕松切割，形成各種形狀和大小的機(jī)器人，適用于不同的應(yīng)用，”城大的王祖凱教授說。機(jī)械工程(MNE)，他構(gòu)思了這一研究理念并啟動了研究人員之間的合作。

在惡劣環(huán)境中輕松移動

通過實驗中使用的磁力操縱器控制，機(jī)器人可以同時移動襟翼推進(jìn)模式和倒立擺模式，這意味著它可以使用其前腳向前翻動以及通過左右站立來擺動身體腳交替地分別前進(jìn)。

“ 人體內(nèi)不同組織的粗糙表面和不斷變化的質(zhì)地使得運(yùn)輸變得具有挑戰(zhàn)性。我們的多腿機(jī)器人在各種地形中表現(xiàn)出令人印象深刻的性能，因此在體內(nèi)藥物輸送方面有廣泛的應(yīng)用，”王教授說。

研究小組進(jìn)一步證明，當(dāng)駕駛障礙物比其腿長度高10倍時，機(jī)器人的可變形軟腿能夠抬起其身體的一端，形成一個高達(dá)90度的角度，以便輕松穿過障礙物。并且機(jī)器人可以通過增加施加的電磁頻率來增加其速度。

機(jī)器人還顯示出非凡的裝載能力。實驗室測試表明，機(jī)器人能夠承載比自身重100倍的負(fù)載，強(qiáng)度可與螞蟻相媲美 - 這相當(dāng)于人類駕駛26座小型公共汽車。

強(qiáng)大的攜帶能力，高效的運(yùn)動和良好的越障能力使這款毫機(jī)器人非常適合在惡劣環(huán)境中使用，例如，通過消化系統(tǒng)將藥物輸送到指定地點(diǎn)，或進(jìn)行醫(yī)療檢查，沉博士補(bǔ)充道。

在進(jìn)行動物和人類進(jìn)一步測試之前，研究團(tuán)隊正在從三個方面進(jìn)一步開發(fā)和完善他們的研究：尋找可生物降解的材料，研究新的形狀，并增加額外的功能。

“我們希望在未來兩到三年內(nèi)制造一種可生物降解的機(jī)器人，以便在藥物交付任務(wù)后自然分解，”沉博士說。