香港城大的多足軟體機器人，將開拓人體傳輸藥物新應用
香港城市大學（香港城大）領導的研究團隊成功研發了像毛蟲般多足的微型軟體機器人，能夠在惡劣環境下運載重物。這項研究新成果，將可在日後為人體內輸送藥物等醫療科技發展帶來新機遇。
全球各地一直在研制各種軟體的微型機器人，但這個新研發機器人的多足設計，可大幅減少與地面摩擦，令機器人在人體內布滿體液或血液的表面迅速移動。
有關研究由香港城大的申亞京課題組與王鑽開仿生拓撲機械系統課題組以及北京理工大學團隊進行，以《可在干燥和濕潤環境下運動的仿生多足柔性機器人》（A bioinspired multilegged soft millirobot that functions in both dry and wet conditions）為題目，剛於上周發表在科學期刊《自然通訊》（Nature Communications）上，並獲英國泰晤士報、英國天空廣播、每日電訊報、美聯社等多個外國媒體以及國內媒體報道。
仿生機器人設計
該微型機器人最特別之處是設有數以百計、長度少於1毫米而柔軟如毛發的尖腿。這項獨特的設計並非無心之作。研究團隊曾詳細分析數以百計陸地上的動物，研究具有兩足、四足、八足或更多足動物的足部結構，尤其是它們的腿足長度與兩腿之間距離的比例，並由此獲得啟發。
論文的共同通訊作者之一、香港城市大學生物醫學工程學系助理教授申亞京博士說：「大部分動物的腿長和兩腿之間的比例是2:1至1:1，以實現有效的身體支撐和高效的運動，因此我們決定以1:1的比例設計機器人。」
這次研發的機器人，身體厚度約0.15毫米，每只錐形腿長0.65毫米，而腿與腿之間的距離約0.6毫米，因此腿長和兩腿之間的比例約為1:1。機器人以尖腳設計，大幅減低了腳底的接觸面積和表面的摩擦。實驗測試結果顯示，無論是在干燥或濕潤的環境，多足機器人與表面的摩擦均較無足機器人少40倍，保持了高效的運動能力。
除了多足的設計，用於制作的材料也很重要。這個機器人由生物兼容性材料聚二甲基硅氧烷（PDMS）制作而成，內附鐵粉顆粒，以便通過電磁力作遙控。
論文的共同通訊作者之一、香港城大機械工程學系王鑽開教授說：「我們采用的材料和多足設計，都大大提升了機器人的疏水性能。此外，由於硅膠柔軟，因此可以很輕易地裁剪成不同形狀和大小的機器人，以便作不同的用途。」
團隊又指出，制作機器人成本低廉，每個機器人成本不到一美元。
在惡劣環境中輕鬆移動
在實驗中，通過磁場的控制，機器人可以用拍打的方式或左右擺動的兩種方式運動，即是分別用前足拍打向前或以左右腳交替的方式擺動身體前進。拍打向前的運動模式類似於非連續的粘滑運動，其一個周期內的步長約為腿長的94%。左右擺動模式類似於連續的倒立擺運動，其一個周期內的步長約為腿長的277%。
王教授說：“人體內的不同組織有高低不平的表面，也有轉變不定的肌理，令傳輸藥物變得非常困難。我們發明的多足機器人在不同的表面上移動均有出色表現，將可為人體傳輸藥物創造極多的應用。”
研究團隊進一步發現，柔軟的腿為機器人提供更好的支撐，減少運動過程中身體的波動，更提升了越障能力。他們研制的機器人在面對較其腿長高10倍的障礙物時，憑借其柔軟的身體和可變形的腿足，彎曲起其身體的一端至最大的90度角，便可輕易翻越障礙物。此外，倘若提高應用於機器人的磁場切換頻率，可令機器人運動速度進一步提高。
這個機器人的載重能力亦極佳。實驗測試結果顯示，機器人可負載較其體重高100倍的物件，這種超卓載重能力可與自然界的「大力神」螞蟻相比，又或等於一人輕易舉起一輛有26個座位的小型巴士。
申博士補充說：“我們發明的微型機器人具有卓越的載重能力，能夠快速移動以及跨越障礙的好本領，極為適合在困難的環境中應用，例如經人體消化系統傳送藥物，或是進行醫療檢查。”
在動物以至人類體內進行機器人測試之前，研究團隊將從三方面優化他們的發明，包括尋找可生物降解的制作材料、研發機器人的新形狀和外型，以及增加其他特點。
申博士說：“我們希望在未來兩三年內在材料方面做進一步探索，希望可以制成可生物降解的機器人，讓它在完成傳送藥物的任務後自然分解。”
研究論文的共同第一作者是香港城大生物醫學工程學系的博士生陸豪健和機械工程學系的張梅博士。其他共同合作者包括生物醫學工程學系的博士生楊媛媛，以及北京理工大學的黃強教授和福田敏男教授。
DOI number: 10.1038/s41467-018-06491-9
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