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!...

本文主要是介绍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!...,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

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来源:机器人大讲堂

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?

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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?

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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!

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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。

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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;

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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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