穿山甲钻进胃里治病？同济大学&马普所联合开发微型机器人，登上 Nature子刊！

bilibili 机器人大讲堂 2023-12-22

请大家脑洞大开：以穿山甲为灵感开发的机器人能应用于哪些领域？

联想到穿山甲那坚硬的鳞片，锋利的爪子，小编想：去深山老林挖（kan）洞（tan），应该再适合不过了吧?

但科学家们的脑洞可不止如此，最近，同济大学与马克斯普朗克智能系统研究所在《Nature Communications》（自然通讯）上合作发表了一项研究，他们开发的穿山甲机器人不钻地也不挖洞，而是进入人体内治病！

这操作属实让人意想不到，其实关于这类“体内”微型机器人的研究也不在少数，它们被称为人体内的“外科医生”，为了避免对人体造成伤害，机器人的身体都是完全柔软的，而像“穿山甲”一样具有坚硬鳞片的机器人进入人体治病的还是头一个。

如此大胆创新，它到底有什么优势呢？

首先，它受磁场驱动，因此完全不受束缚，具有变形、滚动的能力；

其次，和完全柔软的机器人相比，具有金属部件的“穿山甲”机器人可以定向加热，可在30s内加热至70℃，这种温度能用于多种医疗程序，例如治疗血栓、止血和去除肿瘤组织等。

▍有皮肤有鳞片，灵活滚动定向加热

穿山甲是一种全身覆盖着坚硬鳞片的哺乳动物，它的鳞片由角蛋白制成，就像我们的头发和指甲一样，这些鳞片重叠并直接连接到下面的软皮肤层，在遇到危险的时候身体和鳞片都会快速蜷缩成一团。

马克斯·普朗克智能系统研究所的研究人员对此非常感兴趣，并且受其启发，建立了以动物结构为模型的柔性机器人。

该机器人可以像穿山甲一样，一眨眼就能卷成一个球，并且还有散发热量等附加功能，从而发挥重要的医疗作用。

机器人整体长2厘、宽 1 厘米，和穿山甲一样，它具有柔软的皮肤，和嵌在皮肤上的坚硬鳞片。

研究人员的设计方案如下：机器人由两层聚合物材质的软层组成，上面布满了小磁性颗粒；第二层是一些硬质的组件，由排列的金属制作而成。这种方案制作出来的机器人尽管带有金属部件，但整体仍然是柔软且灵活的，可以安全地应用在人体内。

当机器人暴露在低频磁场中时，研究人员操纵机器人卷起并灵活移动，金属部件像动物的鳞片能够避免伤害周围的组织，而卷起来的部分将药物等颗粒输送到体内的目标部位。

当机器人暴露在高频磁场中时，内部的金属温度会升至 70°C 以上，在这个温度下，可以用来治疗内出血、清除肿瘤组织和治疗血栓。

这并不是科学家们第一次受自然界生物启发开发微型机器人，但这款机器人的特别之处在于，由硬质元件制成，且仍可以自由移动、不受束缚，这种设计非常罕见，并且为棘手的内部治疗和手术带来了巨大的希望。

▍进入胃肠道测试

研究团队使用动物内脏对“穿山甲”机器人进行了胃肠道的“体内”医疗测试。

他们模拟了猪的胃出血，“穿山甲”机器人先被导航到出血部位，然后再施加 3 秒射频脉冲，成功地在该部位止血。

除了胃之外，机器人还能进入一些普通的医疗器械很难达到的曲折部位，例如小肠。小肠出血也是非常常见的病症，但内窥镜检查或结肠镜检查等既定技术很难进入这些部位；研究人员将50 μm厚铝鳞片且重叠率为 50% 的机器人装入标准尺寸的“0”明胶胶囊中，进行口服给药，这样可以将机器人非侵入性地部署进小肠并进行止血。

除了止血外，机器人还能用于癌症的热疗，研究人员观察到肿瘤球体在 60°C 下仅加热 5 分钟后就被破坏。

▍未来将进一步优化

这项研究发表在《Nature Communications》（自然通讯）上，标题为“Pangolin-inspired untethered magnetic robot for on-demand biomedical heating applications”，研究团队主要来自德国马克斯普朗克智能系统研究所、同济大学和苏黎世联邦理工学院。

文章的通讯作者是马普所物理智能系主任Metin Sitti教授，他的课题组在小型仿生机器人、无线软体医疗机器人、壁虎型粘合剂以及物理智能等领域均处于世界领先地位。

在文章的结尾，研究人员表示未来会在以下几个方面进一步优化“穿山甲”机器人：

1．由于驱动和远程加热都涉及磁场，因此未来将创建更灵活的磁场系统，可以通过单个磁驱动设置给出高频场和低频场。这将显著减少操作机器人所需的时间和精力，同时也能够更准确地控制磁场。

2．通过利用二次效应或通过在鳞片侧面添加绝缘层（例如聚对二甲苯 C），可以进一步提高射频场的加热效率，这会产生更多的热量并进一步扩大机器人的操作范围。

3．未来会进一步使用生物相容性和生物降解性更好的材料。

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