新研发磁性喷雾令物件变身微型机器人 协助人体内导管插入和药物传输

 _{由香港城大科学家领导的联合研究团队，研发出以喷涂一层磁性喷雾的崭新方式，轻易地将物件变为有多种移动模式的微型机器人。生物兼容的喷雾外层更可于有需要时崩解成粉末，令这项技术有潜力应用于生物医学范畴。（影片来源：香港城市大学）}

披上磁性外衣　物件即变身微型机器人 

科学家一直努力地研发能够适应不同环境，以进行探索和应用于生物医学范畴的微型机器人。

申博士的研究团队近日便研发出一种简单的微型机器人构建方法：在物件表面喷上一种特别合成、像胶水般的磁性喷雾，就可令该物件变成微型机器人。他们称这喷雾为“M-spray”。申博士解释说：“我们的构想是，基本上任何物件披上这层磁性喷雾外衣，就可以化身微型机器人，由我们控制它如何移动。我们研发的M-spray可以黏在物件表面，然后透过磁场的驱动，＇激活＇该物件。＂

M-spray的成份是聚乙烯醇（polyvinyl alcohol, PVA）、小麦蛋白粘粉（gluten）和铁颗粒。不论物件的表面是粗糙抑或平滑，这种喷雾都可以瞬间稳定地紧贴于一维（1D）、二维（2D）和三维（3D）物件上，所形成的一层厚度只有0.1 至 0.25毫米的薄膜，并不会影响物件原来的大小、形态以及结构。

 

研究人员用M-spray喷涂物件后，会因应需要，以单一或多重的磁化方向磁化该物件，使它受磁场驱动下能够移动。然后他们把物件加热，令磁性喷雾外层凝固。

就是这样，已喷有M-spray的物件受磁场驱动，就会变成微型机器人，在玻璃、皮肤、木头或沙砾等各种表面上，能以爬行、翻转、行走或者滚动等不同的方式移动。研究团队成功将棉线（1D）、折纸（2D平面），聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜（2D弯曲/柔软的表面）和胶管（3D圆桶形物体）分别变成软体爬虫机器人、多足机器人、步行机器人和滚动机器人。

可按需要重新编程以改变移动模式

 

团队研发的这种方法，特别之处在于机器人可以按照需要而重新编程（reprogramme），以改变机器人的移动模式。

论文共同第一作者之一的杨雄解释指出，传统机器人在制成之后，其固有形态通常无法随意更改，因此局限了他们的移动模式。然而，只要令固化后的磁性喷雾层完全湿透，再施加强力磁场，就可以改变M-spray涂层内磁性粒子的分布和排列方向（易磁化方向, easy magnetisation axis）。

团队的实验证明了以此方法，可以改变机器人的移动模式，例如机器人在一个较阔的空间里，可以用较快速、上下弯曲身体的3D毛虫移动模式前进，当重新编程之后，则能以较慢、身体如六角手风琴般伸缩的移动模式，贴着地面（2D）前进，穿过狭窄的隙缝。

具导航能力及能崩解的特性

这个重新编程驱动模式的特性，亦对目标导航有帮助。团队为探究机器人于生物医学范畴的应用潜能，遂以常用于治疗或手术的导管，进行了实验。他们证明了不论是管道中有大幅度的急转弯抑或圆滑的转弯位，喷有M-spray涂层的导管均可顺利通过，而且喷有M-spray涂层的导管的活动能力和稳定性，不会因为管道内的血液或液体的流动而受太大的影响。

团队又根据传输任务及环境，对喷有M-spray涂层的棉线的不同部分进行重新编程。实验结果进一步显示，棉线能够快速并顺利通过不规则而且狭窄的结构。申博士指出，从临床应用角度而言，这样可以避免导管在插入的过程中意外插伤喉咙。他说：“这个可视乎任务而重新编程的特性，令M-spray涂层在复杂的食道、血管和尿道中导航导管的操作应用上，具有很大的潜力。”

这项研发的另一重要特色，是可以通过控制磁场，按需要将M-spray涂层分解成粉末。申博士说: “M-spray使用的所有材料，即PVA、小麦蛋白粘粉和铁颗粒，都是生物兼容的，涂层崩解后可以被人体吸收或排出体外。”他强调，M-spray涂层崩解后的副作用可说是微不足道的。

成功于活兔子的胃内传输药物

为了进一步验证运用M-spray涂层机器人传输药物的可行性和有效性，研究团队以喷涂了M-spray的胶囊于兔子身上进行活体实验。在传输过程中，兔子被全身麻醉，并以放射成像追踪胶囊在兔子胃中的位置。当胶囊到达目标位置时，研究人员就施加振动磁场，令涂层崩解。申博士补充说：“M-spray这种可控崩解的特性，令药物可以到达目标位置才被释放，而非在器官中四处散落。”

尽管M-spray涂层在强酸环境（pH值为1）中会在大约8分钟内便开始崩解，但研究团队发现，于涂层表面外加一层PVA层，可将崩解延迟至大约15分钟才开始。另外，如果以镍颗粒代替铁颗粒，即使在30分钟后，涂层仍然可以在强酸环境中保持稳定。

申博士说：“我们的实验结果显示，使用M-spray制成的各种微型机器人能适应不同环境、不同表面的状况以及障碍物。我们希望这种构建方法，可以开拓微型机器人在不同范畴的发展和应用，例如传输、可移动的传感器和装置等等，特别是应用于在有限空间内进行的任务。”

 

来自香港城大的申博士和来自中国科学院深圳先进技术研究院（SIAT CAS）的吴新宇博士，是论文的通讯作者。论文第一作者分别是香港城大BME学系的博士生杨雄，和来自SIAT CAS的尚万峰博士。其他研究团队成员是申博士团队的博士生及博士毕业生：陆豪健博士、刘雁婷博士、杨柳以及谭蓉。

这项研究获得国家科学基金会与香港研究资助局的资助进行。

DOI number: 10.1126/scirobotics.abc8191