微型軟體機(jī)器人在體內(nèi)/體外生物醫(yī)學(xué)研究中具備廣泛應(yīng)用

微型軟體機(jī)器人在體內(nèi)/體外生物醫(yī)學(xué)研究中具有廣泛的應(yīng)用前景。近年來，柔性機(jī)器人的驅(qū)動和運(yùn)動研究方面已取得了大量的成果，但在環(huán)境感知、遠(yuǎn)程信號傳輸?shù)确矫孢€存在較大的挑戰(zhàn)，離實際應(yīng)用還有不小的距離。香港城市大學(xué)（香港城大）領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊基于此前研發(fā)的多足軟體機(jī)器人（Nat.Com. 2018，9（1）： 1-7）及微能源收集技術(shù)（Joule 2018， 2（4）： 642-697），在微型機(jī)器人上集成了驅(qū)動、感知、信號傳輸?shù)葐卧?，通過耦合磁效應(yīng)和壓電效應(yīng)，研制了一種可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制移動、周圍環(huán)境感知和遠(yuǎn)程通訊為一體的無栓系微型軟體機(jī)器人。

相關(guān)成果由香港城大的申亞京課題組與楊征保課題組以《基于耦合磁效應(yīng)和壓電效應(yīng)實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制移動、感知和通訊的毫米級軟體機(jī)器人》（Battery-Less SoftMillirobot That Can Move， Sense， and Communicate Remotely by Couplingthe Magnetic and Piezoelectric Effects）為題目，于近日發(fā)表在綜合期刊《尖端科學(xué)》（Adv. Sci.2020， DOI:10.1002/advs.202000069）上。

該微型機(jī)器人將機(jī)器人驅(qū)動單元和感知單元集成在一個多層薄膜（《0.5 mm）內(nèi)，下部的仿生多足磁性復(fù)合材料肢體可提供驅(qū)動力，而柔性壓電陶瓷復(fù)合薄膜可提供感知功能。論文的共同第一作者，香港城大生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)系博士后陸豪健說：“現(xiàn)階段對于微型軟體機(jī)器人來說，感知能力與運(yùn)動性能的完美集成是一個挑戰(zhàn)。這項工作借鑒了此前工作多足結(jié)構(gòu)的設(shè)計以保證其運(yùn)動性能，同時利用射頻識別技術(shù)（RFID），將三個重要模塊，即上層的近場通信（NFC）電子模塊，中間的壓電感知（PEG）模塊和底部的多足軟體驅(qū)動（MSR）模塊（如圖1所示）集成在總體尺寸小于10×30 mm2的機(jī)器人上，其大小僅與指尖相當(dāng)。在外部的磁驅(qū)動下，該微型軟體機(jī)器人可實現(xiàn)遠(yuǎn)程驅(qū)動、環(huán)境監(jiān)控和無線通信，而無需任何負(fù)載電池或外部有線電源。”

圖1 無栓系微型軟體機(jī)器人的三個組成模塊

此前，香港城市大學(xué)（香港城大）領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊研發(fā)了一種可在干燥和濕潤環(huán)境下運(yùn)動的仿生多足軟體機(jī)器人，該機(jī)器人可以通過磁場的控制，用拍打的方式或左右擺動的方式運(yùn)動，并且可以負(fù)載超過自身重量百倍的物體移動，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用（如圖2所示）。

圖2 仿生多足軟體機(jī)器人的運(yùn)動

此次研發(fā)的機(jī)器人，在此基礎(chǔ)之上集成了三個重要模塊，分別承擔(dān)信號傳輸，傳感識別和運(yùn)動驅(qū)動的任務(wù)。其中NFC的使用可以使無線通信模塊能夠獲取無線信號并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)饺魏蜰FC支持的消費(fèi)類設(shè)備，例如智能手機(jī)和計算機(jī)。PEG模塊由壓電陶瓷復(fù)合材料（鋯鈦酸鉛PZT和聚二甲基硅氧烷PDMS），兩層銀電極和基底（PI膜和PDMS膜）構(gòu)成，其產(chǎn)生的壓電信號能夠用于對外界環(huán)境的感知。MSR模塊由PDMS和磁性顆粒復(fù)合材料構(gòu)成，其下方獨(dú)特的多足設(shè)計減少了軟體機(jī)器人運(yùn)動的表面接觸面積。

圖3 PEG模塊在不同壓力和彎曲狀態(tài)下的壓電響應(yīng)

除了多功能的集成，用于制作壓電感知模塊（PEG）的設(shè)計也很重要。論文的共同第一作者，香港城大機(jī)械工程學(xué)系在讀博士生洪穎說：“與傳統(tǒng)的將壓電陶瓷粉末和高分子材料直接混合制成的壓電陶瓷/高分子復(fù)合材料不同的是，這次我們基于紙模板制備了一種具有連續(xù)3D陶瓷框架的壓電泡沫復(fù)合材料，讓其具有更好的機(jī)械特性和壓電特性（如圖3所示）。與傳統(tǒng)方法相比，這種無縫集成的全軟體結(jié)構(gòu)，能夠很好地發(fā)揮全軟體機(jī)器人的優(yōu)勢?！?/p>

圖4 PEG模塊分別在壓縮和彎曲狀態(tài)下的循環(huán)特性

洪穎補(bǔ)充道：“此外，這種壓電陶瓷復(fù)合材料同時具有很好的抗疲勞特性，在十萬次壓縮及一萬次彎曲循環(huán)中都能保持很好的壓電響應(yīng)（如圖4所示），保證了機(jī)器人的運(yùn)動能力?！?/p>

圖5 微型軟體機(jī)器人的運(yùn)動及其產(chǎn)生的壓電信號

在實驗中，通過外界磁場的控制，微型軟體機(jī)器人可以以拍打的方式向前移動，其本身的PEG模塊可以產(chǎn)生相應(yīng)的壓電信號（如圖5所示）。值得指出的是，機(jī)器人運(yùn)動所產(chǎn)生的壓電信號會隨著接觸界面的不同而發(fā)生變化，例如剛性平面界面可以產(chǎn)生突變信號峰，剛性臺階界面導(dǎo)致信號峰值降低，柔性臺階界面可以得到一個非常平穩(wěn)的信號波，液體界面由于表面張力的影響會產(chǎn)生雙峰信號?！霸谶\(yùn)動過程中，機(jī)器人的針狀足，就像無數(shù)個AFM探針一樣不斷地對周圍環(huán)境進(jìn)行掃描（如圖6所示），我們期望將來能將這種技術(shù)用于體內(nèi)不同區(qū)域的檢查，如是否發(fā)生病變等?！标懞澜〔┦空f道。

圖6 微型軟體機(jī)器人通過不同界面時的壓電響應(yīng)
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