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中國青年學(xué)者領(lǐng)銜Science Advances: 世界首個(gè)用于生物組織性質(zhì)檢測(cè)的毫米級(jí)軟體機(jī)器人

時(shí)間：2023-06-09 來源： 瀏覽：

中國青年學(xué)者領(lǐng)銜Science Advances: 世界首個(gè)用于生物組織性質(zhì)檢測(cè)的毫米級(jí)軟體機(jī)器人

高分子科學(xué)前沿 高分子科學(xué)前沿
高分子科學(xué)前沿

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與傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)成像相比，植入式電子傳感器可以連續(xù)監(jiān)測(cè)組織的高級(jí)生理特性，例如粘附力、pH 值、粘彈 性和用于疾 病診斷的生物標(biāo)志物。然而，它們通常是侵入性的，需要通過手術(shù)植入，并且經(jīng)常引起炎癥。鑒于此， 德國馬克斯普朗克智能系統(tǒng)研究所、瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院及美國范德堡大學(xué)的研究者 提出了一種使用無線微型軟體機(jī)器人進(jìn)行組織生理特性測(cè)量的微創(chuàng)方法。   通過使用外部磁場控制機(jī)器人與組織的相互作用以及采集到的醫(yī)學(xué)圖像信息，生物組 織特性可以基于機(jī)器人的形狀和磁場信息得以估計(jì)。該機(jī)器人可以憑借多模態(tài) 運(yùn)動(dòng)能力穿越組織屏障，在 X 射線或超聲成像的輔助下，測(cè)量豬和小鼠胃腸道組織的粘附力、pH 值和粘彈性。憑借前所未有的以最小侵入性和高分辨率感知人體深處組織生理特性的能力，該技術(shù)有潛力在基礎(chǔ)研究和臨床實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵應(yīng)用。
01世界上第一種用于生物組織特性測(cè)量的毫米級(jí)軟體機(jī)器人
德國馬克斯普朗克智能系統(tǒng)研究所及美國范德堡大學(xué)聯(lián)合研制出了一種結(jié)合無線軟體機(jī)器人和醫(yī)學(xué)成像的系統(tǒng)來感知組織的高級(jí)生理特性，包括器官深處的粘附力、pH 值和粘彈性（圖一）。機(jī)器人的身體由具有磁性的橡膠制成的，它的雙足經(jīng)過特別設(shè)計(jì)可以粘附在組織表面，機(jī)器人可以在外界磁場的驅(qū)動(dòng)下彎曲變形（圖二），在磁場的遠(yuǎn)程控制下以多種運(yùn)動(dòng)模式穿越組織屏障到達(dá)指定位置后（圖三），利用身體上用于進(jìn)行檢測(cè)的貼片與軟組織的相互作用，同時(shí)通過醫(yī)學(xué)成像進(jìn)行監(jiān)控和跟蹤，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)成像工具、電子傳感器和其他現(xiàn)有醫(yī)療設(shè)備難以測(cè)量的生物特性的檢測(cè)。論文以“In-Situ Sensing Physiological Properties of Biological Tissues using Wireless Miniature Soft Robots” 為題發(fā)表在 Science Advances 上。文章的共同第一作者為德國馬克斯普朗克研究所博士生 王春翔 ，博士后 吳英丹博士 ，及美國范德堡大學(xué)助理教授 董曉光博士 。同時(shí)，文章的共同通訊作者為美國范德堡大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的 董曉光教授 及德國馬克斯普朗克智能系統(tǒng)研究所的 Metin Sitti教授 。
圖一，通過無線微型軟體機(jī)器人檢測(cè)軟組織生理特性的系統(tǒng)
圖二，軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制造
圖三，軟體機(jī)器人的多模態(tài)運(yùn)動(dòng)
02，使用機(jī)器人的靜態(tài)形狀檢測(cè)機(jī)器人與組織的粘附力
機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到指定位置后，可以使用基于屈曲的靜態(tài)形狀來感知機(jī)器人與組織的粘附（圖四）。其基本原理是，當(dāng)兩個(gè)機(jī)器人腳墊附著在軟組織表面時(shí)，施加一個(gè)垂直于組織表面的磁場，機(jī)器人身體變形并朝向組織表面。由于屈曲效應(yīng) ，粘合劑貼片將加載到組織表面。而在移除磁場后，由于貼片組織粘附，機(jī)器人將保持彎曲形。之后施加一個(gè)垂直于組織表面的反方向的磁場， 一旦該磁場場達(dá)到一定閾值，分布于機(jī)器人身體的磁扭矩將粘合劑貼片從組織表面脫離。將脫離瞬間的機(jī)器人身體形狀與該時(shí)刻的磁場信息輸入基于使用歐拉-伯努利梁理論的磁彈性模型，貼片與組織的粘附力可以被準(zhǔn)確估計(jì)出來。
圖四，機(jī)器人部署到目標(biāo)位置，以及基于機(jī)器人的屈曲效應(yīng)檢測(cè)軟組織的表面粘附力
將進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)的對(duì)組織表面pH值進(jìn)行響應(yīng)的粘附貼片附加在機(jī)器人身體上（圖五），該方法可以通過貼片與組織的粘附力進(jìn)而對(duì)組織的 pH進(jìn)行檢測(cè)。
圖五，帶有 pH 響應(yīng)生物粘合劑貼片的軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)
03，使用機(jī)器人的動(dòng)態(tài)形狀檢測(cè)組織的粘彈性
機(jī)器人還可以通過分布于其整體的粘合劑貼片粘附于軟組織表面（圖六）。首先，機(jī)器人被部署到指定位置，利用非零凈磁扭矩將其生物粘附面粘附到目標(biāo)組織區(qū)域。然后，機(jī)器人在旋轉(zhuǎn)磁場的驅(qū)動(dòng)下測(cè)量組織粘彈性。當(dāng)檢測(cè)過程完成時(shí)，機(jī)器人身體可在相對(duì)較大的磁場下脫離組織表面（圖七）。
圖六，生物粘附貼片設(shè)計(jì)
圖七，軟體機(jī)器人的部署、檢測(cè)和分離
機(jī)器人檢測(cè)組織粘彈性的基本原理為，在低頻率的旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動(dòng)下，機(jī)器人的形變程度與組織的楊氏模量有關(guān)，即機(jī)器人的變形程度隨組織硬度的增加減?。划?dāng)逐漸增加磁場頻率時(shí)，由于組織粘度的存在機(jī)器人形變程度隨頻率的增加而減小，通過檢測(cè)幅度隨頻率衰減的幅度，組織粘度可被估計(jì)出來（圖八）。
圖八，軟體機(jī)器人針對(duì)不同材料和在不同磁場頻率下的動(dòng)態(tài)形狀變化
04，精準(zhǔn)微創(chuàng)醫(yī)療：定點(diǎn)組織的疾病監(jiān)測(cè)
這款機(jī)器人具有監(jiān)測(cè)和了解患有疾病的軟組織的生物力學(xué)的潛力。在X射線成像設(shè)備下，機(jī)器人首先被部署到小鼠模型的患病區(qū)域，再由外部磁場驅(qū)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)組織pH與粘彈性（圖九）。
圖九，軟體機(jī)器人對(duì)小鼠模型的患病區(qū)域的組織特性進(jìn)行檢測(cè)
05，總結(jié)及未來展望

這項(xiàng)工作提出了一個(gè)使用無線微型軟機(jī)器人和醫(yī)學(xué)成像來感知軟組織的生理特性的通用框架。該框架使用無線驅(qū)動(dòng)的微型機(jī)器人與軟組織表面相互作用，同時(shí)使用醫(yī)學(xué)成像監(jiān)測(cè)其形狀變化，從而為監(jiān)測(cè)和了解疾病發(fā)展期間生物體內(nèi)的組織生物力學(xué)打開了一扇門，并為疾病治療提供反饋信息。因此，該系統(tǒng)為可用的微創(chuàng)傳感方法和醫(yī)療設(shè)備增加了前所未有的功能，并有在基礎(chǔ)研究和臨床實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用的潛力。

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來源：高分子科學(xué)前沿
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