研究人員正在開始探索微型機(jī)器人系統(tǒng)在人體中的作用

由在開姆尼茨理工大學(xué)（TU Chemnitz）和萊布尼茨IFW德累斯頓工作的奧利弗·施密特（Oliver Schmidt）博士領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際研究小組最近開發(fā)了一種微軌道系統(tǒng)，具有廣泛的應(yīng)用范圍，可以完成從微外科手術(shù)到向人類運(yùn)送貨物的所有工作。該機(jī)器人在《Nature Electronics》上發(fā)表的一篇論文中提出，它基于將近十年前同一研究團(tuán)隊(duì)提出的想法。

施密特說：“我們首先開始探索創(chuàng)建微型機(jī)器人系統(tǒng)的想法，該系統(tǒng)由功能強(qiáng)大的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)自行驅(qū)動(dòng)，并在船上裝有微電子組件。我們最初的想法是建立一個(gè)能夠與單個(gè)生物細(xì)胞相互作用的智能自推進(jìn)微系統(tǒng)，該單個(gè)生物細(xì)胞的大小與微系統(tǒng)本身相似。該系統(tǒng)應(yīng)該能夠移動(dòng)，感知環(huán)境，運(yùn)輸貨物，運(yùn)送藥物并攜帶進(jìn)行顯微手術(shù)。”

自從施密特（Schmidt）和他的同事們首次提出微機(jī)器人系統(tǒng)的概念以來，他們的團(tuán)隊(duì)和世界各地的其他幾個(gè)人就嘗試創(chuàng)建類似的技術(shù)，主要是在體外。然而，事實(shí)證明，在人體內(nèi)部實(shí)施此類系統(tǒng)更具挑戰(zhàn)性。實(shí)際上，為了完成體內(nèi)的任務(wù)，需要從外部控制系統(tǒng)，并且系統(tǒng)收集的信息（例如診斷數(shù)據(jù)）應(yīng)易于傳達(dá)給外部世界。

施密特解釋說：“要使微型機(jī)器人系統(tǒng)在人體中發(fā)揮作用，它應(yīng)包含電能，傳感器，致動(dòng)器，天線和微電子電路。我們最近工作的主要目標(biāo)是朝著這個(gè)最終目標(biāo)邁出一大步；當(dāng)然，是以簡(jiǎn)化的方式?！?/p>

Schmidt和他的同事通過將微電子元件和納米電子元件集成在芯片表面上來制造其靈活的微系統(tǒng)，其方式類似于使用硅技術(shù)構(gòu)建計(jì)算機(jī)芯片的方式。但是，它們的系統(tǒng)與常規(guī)計(jì)算機(jī)芯片之間的主要區(qū)別在于，前者的設(shè)計(jì)包括使用大約20年前采用的方法制造的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，這種方法通常不用于主流微電子技術(shù)的開發(fā)中。
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施密特說：“訣竅在于將應(yīng)變極高的薄材料放在芯片上，當(dāng)它們從芯片表面分層時(shí)，它們會(huì)迅速回卷成瑞士卷微管結(jié)構(gòu)。這個(gè)程序可以很好地控制，以便使卷起的微管在微機(jī)器人系統(tǒng)的相對(duì)兩側(cè)牢固連接。如果這些微管內(nèi)部涂有鉑，一旦鉑進(jìn)入，催化反應(yīng)就會(huì)產(chǎn)生氧氣氣泡接觸含有少量過氧化氫（H 2 O 2）的水溶液?！?/p>

由于施密特和他的同事使用的非常規(guī)設(shè)計(jì)策略，當(dāng)將微型機(jī)器人系統(tǒng)放置在含有過氧化氫(H2O2)的水溶液中時(shí)，溶液進(jìn)入其兩個(gè)微管，產(chǎn)生氧泡。然后，這些氣泡被推到微管末端的外面，通過一種稱為射流推進(jìn)的機(jī)制加速系統(tǒng)。

施密特說：“這種噴氣推進(jìn)原理是我們小組在12年前提出的。但是，像我們目前的工作中那樣的雙噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)以前從未被制造過?！?/p>

研究人員的噴氣推進(jìn)策略的核心催化反應(yīng)可以通過改變噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度來控制。高溫產(chǎn)生更多的氣泡和更強(qiáng)的推力。低溫則氣泡少、推力弱。

Schmidt和他的同事通過施加流經(jīng)連接到發(fā)動(dòng)機(jī)的電阻性元件的電流來控制兩個(gè)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)之一的溫度。溫度的變化增加了其中一個(gè)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生的氣泡的數(shù)量和隨后的推力，這又使系統(tǒng)可以向右或向左轉(zhuǎn)。

施密特說：“您可能會(huì)問自己，我們?nèi)绾翁峁┘訜犭娮柙碾娏鳌榇?，我們?cè)谖⑿拖到y(tǒng)中集成了一個(gè)微小的天線，該天線可以從外部通過無線能量饋電（類似于您手機(jī)的無線感應(yīng)充電）。因此，船上可以使用電能，這是全新的這么小的自走式微型機(jī)器人?！?/p>

施密特和他的同事開發(fā)的微型機(jī)器人也有一個(gè)小手臂，可以抓住并釋放周圍的小物體。當(dāng)系統(tǒng)溫度變化時(shí)，小臂會(huì)執(zhí)行不同的動(dòng)作，彎腰抓住物體，或者彎腰釋放物體。

施密特說：“這種集成的機(jī)械臂對(duì)于自推式微系統(tǒng)也是全新的功能。最后，微型機(jī)器人可以在板上安裝一個(gè)微小的紅外LED，該紅外LED可以通過無線傳輸?shù)哪芰縼泶蜷_。該LED可能對(duì)跟蹤體內(nèi)的微型機(jī)器人很有用。在移動(dòng)微型機(jī)器人上打開和關(guān)閉微型LED從未之前顯示過?！?/p>

施密特及其團(tuán)隊(duì)開發(fā)的微型機(jī)器人系統(tǒng)是由高度靈活的材料制成的。這意味著它可以彎曲或變形而不會(huì)損壞，因此它甚至可以穿過人體中的毛細(xì)血管或其他小通道，并繼續(xù)正常運(yùn)行。

將來，這個(gè)新系統(tǒng)可能會(huì)具有更多有價(jià)值的應(yīng)用場(chǎng)景。例如，它可以完成需要高精度的人體內(nèi)部任務(wù)，包括外科手術(shù)或診斷程序。

施密特說：“我們已經(jīng)證明，電能可以無線傳輸?shù)匠⌒臀⑿蜋C(jī)器人系統(tǒng)，并且該電能可以用于執(zhí)行有用的任務(wù)：遠(yuǎn)程操縱微型機(jī)器人或打開和關(guān)閉紅外LED。下一步工作是在血液等生物流體中運(yùn)行該系統(tǒng)。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)造需要略有不同?！?br />