科研速递 | 理工学院俞江帆教授团队在Nature Communications上发表文章

近日，香港中文大学（深圳）理工学院俞江帆助理教授和上海大学刘娜副研究员在顶级综合期刊Nature Communications上发表题为“A magnetic multi-layer soft robot for on-demand targeted adhesion”的文章。

PART 1

 期刊介绍

Nature Communications是Nature子刊，是一本致力于发表高质量、创新性自然科学研究的多学科杂志。涉及领域包括物理、化学、生物学、医学、地球科学等。该期刊最新影响因子为16.6，JCR分区Q1。

PART 2

研究背景

磁性软体机器人由于其尺度优势和柔顺性，可以作为医疗机器人以无创的方式在外部磁场的驱动下进入人体器官或组织执行手术或者递送药物。目前，研究人员已经开发出可以实现多模态多环境运动的磁性软体机器人，同时，与功能材料的结合使其在生物医学应用中显示出巨大的潜力。不难发现，具有多层结构的磁性软机器人可以提高药物的装载能力和功能复杂性。然而，层与层之间的相互作用尚未得到充分研究，因此，具有按需运动模式的磁性多层软体机器人的实现仍然具有挑战性。此类机器人可以应用于胃肠道的多靶点药物递送，可以进一步扩展软体机器人的应用场景。

PART 3

研究方法

作者通过设计材料界面和层与层之间的磁相互作用制备了一种磁性多层软体机器人（图1）。该机器人具有以下特点：

• 机器人由三层结构组成，每层结构包括一个软磁性基底和一个粘附膜。其中，软磁性基底其磁化方向与其表面垂直，因此，在磁吸引的作用下层结构自组装成磁性多层软体机器人（图1a）

• 作为软体机器人，其能够被轻易的卷曲置入可食用胶囊内（图1c）

• 基于粘附-脱离机制能够实现机器人与层结构的按需脱离（图1b），因此，为了便于区分，将不同阶段的机器人命名为Type I，II，III robot（图1e）

因此，该机器人可以实现胃部多靶点的按需贴附（图1d）。

图1 磁性多层软体机器人多靶点贴附的概念展示

每层结构中包含的粘附膜由Carbopol，Poloxamer和HPMC组成，通过氢键实现与组织之间的粘附（图2），作者对于粘附膜的粘附强度进行了具体的表征（图3）。在模拟人工胃液的环境中，进行了往复动态拉伸式样。数据表明在0.5 Hz（胃部蠕动频率0.05 Hz）的拉伸频率下，粘附膜在组织上能够滞留25h以上的时间，为减少创面侵蚀和靶点释药提供了实验基础。

图2 粘附膜粘附机制图

图3 粘附强度表征图

通过改变磁场的方向，在磁力矩的作用下，层结构会向磁场方向发生翻转（图4）。作者对层结构之间的脱离过程进行了仿真分析。仿真结果表明，当磁场强度大于50 mT时，磁性机器人能够在磁力矩的作用下实现与粘附层结构的脱离。高速相机下的实验结果也证明了粘附-脱离机制的可行性（图5，图6）。

图4 层与层之间按需分离仿真图

图5 Type I robot脱离

图6 Type II robot脱离

作者在离体猪胃组织上验证了磁性多层软体机器人进行多靶点按需粘附的有效性（图7）。在超声成像的引导下，完成了离体猪胃器官的多靶点贴附（图8，图9）。根据最终胃部剖开滞留图观察，即使在大褶皱和凹陷的三维非结构液体环境下，机器人依旧能够实现多靶点的按需贴附任务。为进一步验证机器人使用的可行性，作者在活体猪胃内部进行了多靶点贴附实验（图10）。实验结果表明即使在充满褶皱、表面存在粘液且存在蠕动环境的胃部，磁性多层软体机器人也能够很好的实现多靶点的贴附任务。

图7 磁性多层软体机器人在离体猪胃组织上的多次粘附

图8 超声引导下磁性多层软体机器人在离体器官内的运动，贴附和分离

图9 超声引导下磁性多层软体机器人在离体器官内的多靶点贴附

图10 超声引导下磁性多层软体机器人在活体器官内的多靶点贴附

PART 4

实验结论

本文开发了一种具有不同层结构的磁性软体机器人，基于粘附-脱离策略实现对不同病灶的按需粘附。通过设计材料界面和定制层间磁相互作用，该机器人实现了磁吸力下的自组装、磁场梯度力作用下的组织按需粘附以及磁力矩作用下的机器人按需脱离。基于按需粘附-分离策略，作者在离体猪胃组织、猪胃器官以及活体猪胃中实现了多靶点按需粘附，展示了该机器人在治疗多发性胃溃疡、胃穿孔的潜力。

PART 5

作者简介

本文通讯作者为香港中文大学（深圳）理工学院助理教授俞江帆。

俞江帆教授是香港中文大学（深圳）理工学院助理教授、医学院客座助理教授、校长青年学者、深圳市人工智能与机器人研究院（AIRS）微纳机器人研究中心主任。他是国家高层次青年人才，主持国家重点研发计划青年项目、国自然青年基金、广东省面上项目、深圳市博士启动计划等多项人才及科研项目。他担任国家重点研发计划“智能机器人”专项会评评审、深圳市多项项目评审，担任中国微纳技术学会微纳米机器人分会、微纳执行器分会理事。

研究主要集中在微纳米机器人和医疗机器人领域，包括其材料设计、结构设计、优化控制、及生物医学应用。俞教授至今发表了60余篇顶级期刊及会议文章，2本专著、1本编著及多个书目章节。发表文章包括Science Advances、Nature Communications、IJRR、T-Ro、T-Mech和ACS Nano等，数篇期刊论文被ESI收录为高引用论文，并被Science、Nature、CNN等国际机构报导。他获得了多个有影响力的奖项，包括IEEE 3M-NANO Rising Star Award、IEEE RCAR Best Paper Award Finalist、吴文俊人工智能科技奖自然科学奖二等奖、百度全球华人AI青年学者、福布斯30 under 30、Nature Communications物理学50强文章、T-Mech最佳论文奖入围、香港青年科学家入围奖等。他担任IEEE RA-L及多个国际会议的编委，以及包括Science Robotics、 Science Advances、TRO、TMECH在内的多个顶级期刊和会议的审稿人。

俞教授带领的智能微型机器人实验室，由香港中文大学（深圳）与深圳人工智能与机器人研究院（AIRS）共建，是一个多学科高度交融的平台，需要综合材料科学、机器人学、控制科学、生物医疗等基础科学，在充分允许科研自由性、趣味性的同时，逐步致力于解决和人类生活、健康息息相关的问题。实验室常年开放各个岗位的招聘，详见www.imlyu.com。

本文共同通讯作者为上海大学副研究员刘娜。

刘娜，上海大学机电工程与自动化学院副研究员，上海大学微纳操作技术研究中心副主任；2015年博士毕业于中国科学院沈阳自动化研究所，后在香港城市大学作为博士后开展研究工作，于2016年加入上海大学。主要研究兴趣为面向生物医学应用的多尺度机器人技术研究，包括微纳米尺度下基于光场/磁场/流场驱动的多物理场基础理论及优化控制、磁控微型软体机器人的结构设计及操控等；发表SCI论文50余篇，包括Nature Communications、Advance Science、Lab chip、IEEE Transactions Automation Science and Engineering 等，申请/授权发明专利20余项，成果转化6项；主持了国家自然科学基金面上、青年，上海市科委等国家/省部级级等项目，获上海市技术发明奖一等奖，上海市扬帆英才等奖励。

本文第一作者为香港中文大学（深圳）访问博士生、上海大学博士生陈子衡。

陈子衡，本科毕业于山东理工大学，硕士毕业于上海大学，上海大学刘娜教授团队博士生。2022年起，作为访问学生在香港中文大学（深圳）俞江帆教授团队进行全职研究。主要研究方向为磁性软体机器人的结构设计，运动分析以及结合功能材料的磁性软体机器人的生物医疗应用。

本文共同第一作者为香港中文大学（深圳）在读博士生王一斌。

王一斌，本科毕业于哈尔滨工业大学（威海），硕士毕业于卡内基梅隆大学，目前在香港中文大学（深圳）俞江帆教授团队攻读博士学位。主要研究方向为小尺度磁性软体机器人的结构设计、工作机理、驱动模式以及基于磁性软体机器人的生物医疗应用。

供稿 | 俞江帆教授团队

排版 | 郑一旻（2022级 理工学院 道扬书院）

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