微型機器人的生物醫(yī)用近年來引起了極大關(guān)注，尤其在傳統(tǒng)醫(yī)療設(shè)備難以觸及的狹窄管腔內(nèi)精確藥物遞送方面表現(xiàn)出巨大潛力（Nelson and Pané, Science 2023, 382, 1120）。這些能夠變形并根據(jù)需要進行移動的微型機器人有望改變對人體內(nèi)管腔病變，如胃腸道和血液循環(huán)系統(tǒng)的治療方法。由于這些機器人在人體內(nèi)工作環(huán)境通常為非可視，因此，有效的定位跟蹤技術(shù)對于提供關(guān)鍵的位置信息反饋至關(guān)重要，這有助于指導(dǎo)機器人的精確操作和移動。鑒于此，開發(fā)用于微型機器人定位和跟蹤的新型技術(shù)已成為當(dāng)前科學(xué)研究的焦點和前沿領(lǐng)域。這些技術(shù)的進步對于優(yōu)化微型機器人在復(fù)雜人體環(huán)境中的導(dǎo)航和操作，以及提高治療效率和精度具有重要意義。
在微型機器人體內(nèi)跟蹤領(lǐng)域的當(dāng)前研究（O. G. Schmidt et al., ACS Nano 2020, 14, 9, 10865; W. Gao et al., Chem. Soc. Rev. 2020,49, 8088-8112; B. Wang and L. Zhang et al., Adv. Mater. 2021, 33, 2002047），涵蓋了多種成像技術(shù)，如熒光成像、磁共振成像（MRI）、超聲成像、放射性核素成像、光聲成像，以及近期發(fā)展的激光散斑成像技術(shù)（Guan, Li and Mou et al., Sc. Adv. 2023, 9, adk7251）。上述追蹤方式在處理人體內(nèi)不同深度和不同器官組織中微型機器人的定位和跟蹤問題方面取得了顯著成果。
本研究提出的微型機器人跟蹤模式基于液態(tài)金屬耦合的射頻識別（RFID）技術(shù)，該技術(shù)的主要優(yōu)勢在于其具有較高的跟蹤深度（最多可達10至20厘米），并且在體內(nèi)骨骼和氣泡方面的干擾極小。此外，RFID技術(shù)不產(chǎn)生電離輻射，從而在醫(yī)療機器人領(lǐng)域中為微型機器人的體內(nèi)追蹤提供了一種安全且有效的新策略。與其他跟蹤技術(shù)相比，本技術(shù)在追蹤過程中不需依賴任何笨重或龐大的設(shè)備，整體系統(tǒng)（包括筆記本電腦）的總重量不超過3公斤。這種系統(tǒng)的高可攜帶性和低成本特點，使其在醫(yī)療條件較差的偏遠地區(qū)具有潛在的應(yīng)用價值。該技術(shù)不僅為微型機器人在人體內(nèi)長距離驅(qū)動和精確定位提供了新方案，而且為藥物精準(zhǔn)遞送提供了新思路。相關(guān)研究成果以發(fā)表在Device期刊2024年第2期，Device是Cell Press新出的器件領(lǐng)域旗艦期刊。論文第一作者為化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院本科生葉芷澄，通訊作者王奔老師。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.device.2023.100181
圖1. 在磁性致動單元和射頻識別定位系統(tǒng)下多足機器人的胃內(nèi)遞送的示意圖
軟體機器人的多模態(tài)運動
在自然界中，眾多陸生動物和昆蟲的腿部結(jié)構(gòu)使其在行進或奔跑時能夠減少摩擦、增加運動自由度并有效降低能量消耗。基于對這一生物學(xué)特性的研究和模仿，科學(xué)家們開發(fā)了多軟足微型機器人，這種機器人設(shè)計能夠適應(yīng)胃腸道等人體內(nèi)復(fù)雜地形，并減少與組織表面的附著力（Shen and Wang et al., Nat. Commun. 2018, 9, 3944）。借助于精確控制的磁驅(qū)動單元，這些多足機器人能夠進行形變，從而展現(xiàn)出多種運動模式，如沿不同軸向的卷曲、類似于潛艇的垂直浮動，以及周期性的爬行等。
圖2. 機器人的多模態(tài)運動
RFID定位追蹤
多足機器人的實時定位與傳統(tǒng)高成本醫(yī)療成像設(shè)備的方法不同，它采用射頻識別（RFID）技術(shù)進行定位。該技術(shù)通過將RFID芯片集成至機器人內(nèi)部，并利用磁控裝置來驅(qū)動機器人的連續(xù)移動，實現(xiàn)了對機器人位置的精準(zhǔn)追蹤。移動信號檢測器接收來自RFID芯片的信號，從而在非直視環(huán)境中準(zhǔn)確確定機器人的位置，并描繪出其運動軌跡。與傳統(tǒng)的大型臨床跟蹤設(shè)備相比，RFID技術(shù)在體內(nèi)跟蹤深度方面可達10至20厘米，并且對于骨骼和體內(nèi)氣泡的干擾極小。更重要的是，RFID技術(shù)不產(chǎn)生電離輻射，從而避免了相關(guān)的健康風(fēng)險。同時，該技術(shù)的應(yīng)用降低了醫(yī)療成本并減少了患者接受輻射的風(fēng)險。RFID技術(shù)在體內(nèi)微型機器人定位和跟蹤方面的應(yīng)用，有望顯著提高機器人在復(fù)雜生物環(huán)境中的導(dǎo)航和操作精度，為醫(yī)學(xué)研究和治療領(lǐng)域帶來新的突破。這種新型跟蹤方法的發(fā)展和推廣將有助于提高治療的效率和安全性。
圖3. 現(xiàn)有主流追蹤策略和液態(tài)金屬耦合RFID定位設(shè)備的特征比較
為了系統(tǒng)地驗證液態(tài)金屬耦合RFID定位裝置的追蹤效能，研究團隊進行了一系列定量實驗，這些實驗考察了在不同條件下RFID檢測信號的性能。具體包括：在多足機器人與RFID檢測器之間不同的距離、存在不同類型障礙物情況下，以及機器人相對于檢測傳感器的不同法線方向和傾角下的信號響應(yīng)。實驗結(jié)果表明，在厘米級距離以及多種檢測角度下，對多足機器人進行有效的體內(nèi)跟蹤是可行的。這些研究為RFID技術(shù)在復(fù)雜生物環(huán)境中的應(yīng)用提供了重要的實驗支持。
圖4. 多足機器人在不同距離、不同傾角、存在障礙物等情況下的定位追蹤
軟機器人在豬胃中的追蹤控制
鑒于多足機器人在人體應(yīng)用時需覆蓋較長的操作距離，設(shè)計了一種適用于人體尺度的設(shè)備。采用大型磁控設(shè)備，可在距離離體豬胃15 cm的高度操控機器人。在這個實驗裝置中，當(dāng)機器人在體內(nèi)移動時，信號探測器接收來自RFID芯片的信號。根據(jù)信號范圍，可以獲得機器人的運動路徑，并且與上述磁場的運動路徑基本相同。此外，通過應(yīng)用高頻交變磁場，在胃內(nèi)特定位置成功實現(xiàn)了多足機器人的磁熱藥物釋放。
圖5. 多足機器人在磁場控制下的運動和追蹤
總結(jié)
本研究報告了一種結(jié)合液態(tài)金屬軟電子的多足機器人，其運動和感知功能通過磁性和射頻效應(yīng)實現(xiàn)，可用于胃腸道中藥物遞送。在外部磁場的操控下，該機器人能夠執(zhí)行多種運動模式，包括卷曲翻滾、浮起潛水和爬行等，同時其位置信息可通過RFID技術(shù)進行遠程讀取。此外，還通過高頻交變磁場成功實現(xiàn)了機器人搭載藥物的快速磁熱釋放。這種具有柔性和靈活性的微型機器人在實現(xiàn)精準(zhǔn)醫(yī)療和最小化侵入性治療方面具有巨大應(yīng)用潛力。
（來源 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院）
