带有多重腿的微型软机器人为人体内的药物输送铺平了道路

香港城市大学(CityU)领导的一项研究开发了一种新型的微型软机器人,它具有履带式承重,适应恶劣环境的履带式腿。这种迷你送货机器人可以为医疗技术的进步铺平道路,例如人体内的药物输送。

在世界范围内,一直在研究开发软毫机器人。但是,CityU的多腿设计有助于显着减少摩擦,因此机器人可以在身体内部的表面内有效移动,这些表面内衬或完全浸没在血液或粘液等体液中。

研究结果发表在最新一期的科学期刊“自然通讯”上,题为“一种在干湿条件下均能发挥作用的生物启发的多重软质纤维机器人”。

生物启发的机器人设计

这款毫机器人脱颖而出的原因在于其数百个不到1毫米长的尖头,看起来像是一头短小的头发。这种独特的设计不是随机选择。研究小组研究了数百种地面动物的腿部结构,包括腿部为2,4,8或更多腿的动物腿部结构,特别是腿部长度与腿部间隙之间的比例。从那里,他们得到了灵感。

“大多数动物的腿长与腿间隙比为2:1到1:1。所以我们决定以1:1的比例制作我们的机器人,”城大生物医学工程系助理教授沉雅静博士解释说。 BME)领导了这项研究。

机器人的身体厚度约为0.15毫米,每条锥形腿长0.65毫米,腿之间的间隙约为0.6毫米,腿长与间隙比约为1:1。此外,机器人的尖腿大大减少了它们的接触面积,从而减少了与表面的摩擦。实验室测试表明,在干湿环境下,多腿机器人的摩擦力比无肢机器人低40倍。

除了多腿设计外,材料也很重要。该机器人由一种称为聚二甲基硅氧烷(PDMS)的硅材料制成,该材料嵌有磁性颗粒,使其能够通过施加电磁力进行远程控制。“材料和多腿设计都极大地改善了机器人的疏水性。此外,橡胶部件柔软,可以轻松切割,形成各种形状和尺寸的机器人,适用于不同的应用,”城大的王祖凯教授说。机械工程(MNE)构思了这一研究理念并启动了研究人员之间的合作。

在恶劣的环境中轻松自如

由实验中使用的磁力操纵器控制,机器人可以同时移动襟翼推进模式和倒立摆模式,这意味着它可以使用其前脚向前甩动以及通过站立在左右脚上来摆动身体交替地分别前进。

“人体内不同组织的粗糙表面和不断变化的质地使得运输变得具有挑战性。我们的多腿机器人在各种地形中表现出令人印象深刻的性能,因此在体内药物输送方面有广泛的应用,”王教授说。

研究小组进一步证明,当面对比其腿长高十倍的障碍物时,具有可变形软腿的机器人能够抬起其身体的一端,形成一个高达90度的角度并穿过容易受到障碍。并且机器人可以通过增加施加的电磁频率来增加其速度。

机器人还显示出非凡的装载能力。实验室测试表明,机器人能够承载比自身重100倍的负载,强度可与蚂蚁相媲美,蚂蚁是自然界中最强壮的大力士之一,或者是能够轻松抬起26座小型公共汽车的人。

强大的携带能力,高效的运动和良好的越障能力使这款毫机器人非常适合在恶劣环境中使用,例如通过消化系统将药物输送到指定地点,或进行医疗检查,“沉博士。

在进行动物和人类进一步测试之前,研究团队正在从三个方面进一步开发和完善他们的研究,即寻找可生物降解的材料,研究新的形状,并增加额外的功能。

“我们希望在未来两到三年内制造一种可生物降解的机器人,以便在药物交付任务后自然分解,”沉博士说。

该论文的共同第一作者是来自BME部门的Lu Haojian和来自城大的MNE部门的张梅博士。其他合着者包括城大BME部的杨媛媛,以及北京理工大学的黄强教授和福田利夫教授。