近期，加拿大滑鐵盧大學的研究人員開發(fā)了一種基于植物水凝膠的微型軟體醫(yī)療機器人，這些機器人可以進入人體并執(zhí)行任務，例如活檢或外科手術。
這種機器人由具有生物相容性的水凝膠材料組成，其材料包含來自植物的纖維素納米顆粒。研究人員可以通過調(diào)整纖維素納米顆粒的取向，使它們在暴露于某些化學環(huán)境（如pH值變化）時以可預測的方式發(fā)生形狀改變，從而實現(xiàn)物品的夾取。
結合磁性元件，機器人可以利用外部磁場移動，并將物體（如藥物）運送到身體的不同部位。
1、小于1CM，可形變可自愈
由于采用了新型植物基材料，這種微型機器人具有自愈性。這意味著它可以在沒有任何粘合劑的情況下粘在一起，這種靈活的特性能讓醫(yī)生根據(jù)所需的尺寸和形狀輕松定制它的形狀，以適應不同的應用。
同時，這種材料還對溫度、離子強度和 pH 值敏感，能夠在外部環(huán)境的變化下觸發(fā)變形系統(tǒng)，由此實現(xiàn)對物品的夾持。研究人員增加環(huán)境增加pH值時，微型軟體醫(yī)療機器人的夾持器通過滾動來抓取球形貨物。將貨物轉(zhuǎn)移到新位置后，通過降低pH值打開夾持臂，然后釋放貨物。由于夾持臂的柔軟性，它們還可以纏繞在不規(guī)則和柔軟的物體上，從而實現(xiàn)長條物體的移動。
這種機器人的最大長度為1厘米，由于結合了磁性組件來，可以通過施加在體外的磁場來控制移動機器人將藥物或其他物件精確輸送到特定的區(qū)域。
對其細胞毒性的進一步研究表明，它們具有高水平的生物相容性。在實驗中，研究人員已經(jīng)能夠操縱機器人穿越迷宮，這表明它們或許能在我們曲折的脈管系統(tǒng)中運動。
a 一種由剪切和粘貼策略開發(fā)的微型抓手，通過增加pH值觸發(fā)的滾動臂來抓取球形貨物。將貨物轉(zhuǎn)移到新位置后，打開夾持臂，通過降低pH值釋放貨物。比例尺為 10 毫米。b 微型機器人通過纏繞輕型貨物來轉(zhuǎn)移輕型貨物的示意圖，該輕型貨物由增加 pH 值觸發(fā)。通過在不受束縛的軟夾持器上添加磁性貼片，可以通過外部磁場進行導航和操縱。c 微型機器人通過扭動來轉(zhuǎn)移工字形貨物，該貨物由增加pH值觸發(fā)。微型機器人由磁鐵遠程導航和操縱。降低pH值會觸發(fā)微型機器人的打開和貨物的釋放。請注意，貨物抓取過程并非完全非接觸式，我們必須手動將貨物引導到正確的位置。完全非接觸式抓取步驟需要主動控制扭線帶的位置，這不是這項工作的范圍。比例尺為 10 毫米。
2、開啟柔性革命
微型軟體機器人是一個相對未被充分開發(fā)的領域，但具有龐大的醫(yī)療應用潛力。
目前上述課題組的科學家們正積極研究，如何增強水凝膠的機械性能，從而提升機器人的承載力。同時，進一步提升水凝膠的變形能力和運動模式，適應更復雜的醫(yī)學應用。此外，如何讓機器人在更溫和的PH環(huán)境中觸發(fā)形變也是另一個難點。
目前，研究人員已經(jīng)在PH較高和較低的兩種環(huán)境中實現(xiàn)了機器人的形變。在天然pH值較高的器官中具有治療應用的潛力，比如膀胱。
這一研究“Programmable nanocomposites of cellulose nanocrystals and zwitterionic hydrogels for soft robotics”，發(fā)表在了9月30日的《nature communications》上。
與傳統(tǒng)剛性醫(yī)療機器人相比，軟體機器人能夠進一步深入人體，在復雜的結構中靈活移動，為傳統(tǒng)剛性機器人難以解決的問題提供解決方案，提高醫(yī)療效率。當前，國內(nèi)外科學家都在積極在此領域耕耘，期待在不久的將來微型軟體機器人能實現(xiàn)真正的臨床應用。
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