工程师开发微型机器人使医疗保健更接近精确靶向药物输送

如果您曾经吞过同一个圆形药片，希望能治愈从胃痉挛到头痛的一切疾病，那么您已经知道药物并不总是旨在治疗精确的痛点。虽然几十年来非处方药已经治愈了许多疾病，但生物医学研究人员最近才开始探索在治疗更复杂的疾病(如心血管疾病或癌症)时改善靶向药物输送的方法。

在这个蓬勃发展的生物医学领域中，一个有前途的创新是millirobot。这些指尖大小的机器人有望成为医学未来的救星——爬行、旋转和游泳以进入狭窄空间，执行其任务以调查内部运作或分配药物。

在这一领域的领先研究，斯坦福大学机械工程师 Renee Zhao 正在同时进行许多微型机器人的设计——包括一个 磁性爬行机器人，它最近在《科学进展》的封面上被看到通过胃 蠕动。由磁场提供动力——允许连续运动，并且可以立即应用以产生扭矩并改变机器人的移动方式——她的机器人可以自行选择不同的机车状态并克服身体中的障碍。仅仅通过改变磁场的强度和方向，赵的团队就可以让机器人以 10 倍于机器人长度的距离在身体上航行。

她研究的一个关键方面是，磁驱动还为非侵入性操作提供不受束缚的控制，并将控制单元与设备分开以实现小型化。赵说，他们最近 在 Nature Communications上发表的机器人 是“我们开发的最强大、功能最强大的无绳机器人”。

这种新的“具有旋转功能的无线两栖折纸毫机器人”正如其名称所暗示的那样多功能。它是一个构思优雅的单一装置，可以快速穿过器官光滑、不平坦的表面并在体液中游动，在运输液体药物的同时无线推进自身。与吞服药丸或注射液体不同，这种机器人会一直保留药物，直到“到达目标，然后释放高浓度药物，”机械工程助理教授赵说。“这就是我们的机器人实现靶向给药的方式。”

重塑药物输送

赵说，这种特殊的两栖机器人的开创性在于，它超越了大多数基于折纸的机器人的设计，后者仅利用折纸的可折叠性来控制机器人的变形和移动方式。

除了折叠如何使机器人能够执行某些动作——想象一下手风琴折叠可以挤出药物——赵的团队还考虑了每个折叠的确切形状的尺寸如何影响机器人在未折叠时的刚性运动。因此，机器人的展开形式天生就适合在环境中推进。这种宽泛的考虑使研究人员能够在不增加体积的情况下更多地利用这些材料——在赵的世界里，机器人设计中的单一结构实现的功能越多，医疗程序的侵入性就越小。

机器人设计的另一个独特方面是某些几何特征的组合。机器人中心的纵向孔和侧面向上倾斜的横向狭缝降低了水阻力并帮助机器人更好地游泳。“这种设计在机器人内部产生负压以进行快速游泳，同时为货物的拾取和运输提供吸力，”赵说。“我们充分利用了这个小型机器人的几何特征，并探索了针对不同应用和功能的单一结构。”

根据与斯坦福大学医学系专家的对话， 赵实验室正在考虑通过构建新技术来改进当前的治疗和程序。如果这项工作按照赵的方式进行，她的机器人不仅可以提供一种有效分配药物的便捷方式，还可以用于将仪器或照相机携带到体内，从而改变医生检查病人的方式。该团队还致力于使用超声波成像来跟踪机器人的去向，从而消除任何切开器官的需要。

越小越简单越好

虽然在对最佳设计和成像最佳实践有更多了解之前，我们不会在真正的医疗保健环境中看到像赵这样的微型机器人，但自然通讯中重点介绍的实验室首创的游泳者 是他们走得最远的机器人之一。它目前处于人体临床试验进行的任何活体动物试验之前的试验阶段。

与此同时，赵的团队继续将各种新颖的智能材料和结构组合成独特的设计，最终形成新的生物医学设备。她还计划继续缩小她的机器人规模，以进一步进行微尺度的生物医学研究。

作为一名工程师，赵努力开发最简单的结构和最多的功能。她的两栖机器人体现了这一使命，因为它激发了她的团队更充分地考虑其他折纸机器人研究人员尚未普遍优先考虑的几何特征。“我们开始研究所有这些是如何并行工作的，”赵说。“这是这项工作的独特之处，在生物医学领域也有广泛的潜在应用。”

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