微創(chuàng)外科手術越來越多地用于靶向小病變，并且對微型醫(yī)療工具的需求不斷增長。這些包括微導管，鉸接的微型鑷子或鑷子，用于在精密手術中進行感應和促動。化學和物理傳感器的準確集成和功能化仍然是主要挑戰(zhàn)。在一項關于科學機器人的新研究中，中國醫(yī)療機器人研究所和倫敦哈林機器人手術中心的Antoine Barbot及其同事開發(fā)了一種新型的微機器人平臺，以對140至830微米(µm)的纖維進行功能化。然后，他們使用濕轉移工藝將2 mm x 3 mm和200 µm厚的微型機器人對準纖維上的浮動電子電路。

科學家使用永磁體控制微型機器人在空氣-水界面處的位置和方向。他們利用磁體的非均勻磁場控制了兩個微型機器人之間的精確距離，并通過浮動電子圖案促進了“抓取和釋放”的操縱。Barbot等。他提出了這種控制過程的模型，包括微機器人通過表面張力的相互作用，以進行詳細的性能驗證。他們演示了在直徑200 µm的光纖和3-D設備上的各種示例傳感器實施例。

臨床上對改善醫(yī)療監(jiān)視和診斷的重視使外科手術的未來轉向了精確干預。最近在纖維上形成機械手的機器人工具的引入使研究人員能夠在單根纖維內結合成像，傳感和顯微操作?？梢允褂秒p光子聚合將精密的微夾具直接設計在纖維的尖端上。研究人員可以使用利用微毛細管功能的液壓連桿來建立微致動，以將該設備用于靶向藥物輸送和聚焦能量(例如激光消融)。光纖是開發(fā)靈活的微型工具的通用基材。它們的表面提供了理想的位置，可以沿其長度包括多個傳感器。

頂部：具有不同首選磁化方向的浮動微型機器人：制造和控制原理。(A)微型機器人的制造。使用環(huán)形磁體在材料中編程了不同的磁化方向。(二)在本研究中使用的夾緊機制。微型機器人根據磁體的垂直位置一起移動或分開移動，從而可以有效地夾緊要轉印的圖案，然后進行旋轉和方向控制。底部：PDMS矩陣內部的鐵線方向。(A)聚合物/鐵混合物的Micro-CT重建。在聚合物固化過程中，鐵線與磁場方向對齊。(B)鐵線方向與位置。鐵線的方向遵循固化磁場的方向。

然而，將微電子器件直接圖案化到用于臨床應用的彎曲小物體上是具有挑戰(zhàn)性的，因為現有的微加工工藝主要是針對平面基板而設計的。迄今為止，研究人員使用了兩種主要的傳輸方法：包括干轉移和濕轉移技術。由于沒有濕蝕刻劑和流體干擾，與濕轉移相比，干轉移通常提供更好的清潔度和更高的精度。在外科手術中可能發(fā)生的濕轉移技術受到精確定位和ing起漂浮裝置的困難的限制。這是由于缺少用于精確實際方法的精密工具或機器人平臺。因此，微型機器人操縱器可以解決手動濕轉移方法面臨的一些主要問題。

在目前的工作中，Barbot等人。提出在空氣/水界面使用移動微型機器人來精確控制濕轉印期間的圖案運動。為了促進簡單和精確的控制，科學家提議開發(fā)一對微型機器人來掌握浮動模式。他們使用單個永磁體產生的磁場來實現此目的，該永磁體被耦合以調整機器人組成材料的磁化方向。Barbot等。利用微型機器人和磁場之間的相互作用將微型機器人對定位在空氣/水界面的兩個不同位置，并形成抓取器。

基于微型機器人的模式抓取和操縱。

研究人員通過控制設備與磁鐵之間的距離來控制兩個微型機器人之間的距離。他們使用彈性體和聚二甲基硅氧烷(PDMS)混合鐵粉來構造設備。對于給定的實驗，Barbot等人。使每個微型機器人磁化，以對給定磁場做出類似反應。科學家在弱磁場的影響下使用了200 µm的PDMS和鐵混合物層，將鐵線組裝到PDMS矩陣中。他們對PDMS進行了熱固化，以使鐵線結構保持在適當的位置，并使用X射線顯微斷層照相術評估了產品的方向。

科學家利用鐵/ PDMS層的不同部分開發(fā)了具有自定義磁化方向的微型機器人，從而形成了厚度為200mm的尺寸為2mm x 3mm的矩形機器人。他們在微型機器人上增加了小的牙齒狀結構，以限制抓握過程中圖案的運動。該團隊觀察了不同微型機器人對的位置以及它們對磁體不同垂直位置的響應，以獲得微型機器人對的兩個運動模式，具體取決于它們的磁化強度與水平面之間的角度(α)。

左：微型機器人對的磁控制。(A)受磁鐵垂直位置影響的微型機器人對的不同平衡位置。左：實驗結果。右圖：使用磁場的有限元建模獲得的仿真結果。(B)光學圖像顯示微機器人對操縱了浮動模式。右圖：使用微型機器人輔助的濕法轉印進行纖維成型。(A)帶有微型機器人對的待轉移圖案的轉移池的側視圖。(B)使用建議的微型機器人輔助濕轉移在光纖上構圖金微型器件的制造工作流程。(C)從顯微鏡上觀察到的漂浮圖案(網格結構)轉移到直徑為200 µm的光纖上。(D)兩個連續(xù)轉移位置標記的掃描電子顯微鏡(SEM)(Tescan SEM / FIB LYRA3 XM)圖像，用于評估提出的系統(tǒng)可達到的轉移精度。

Barbot等。設計了微型機器人，并允許磁鐵的高度控制兩個機器人之間的距離，并調節(jié)微型機器人抓爪的打開和關閉。科學家將實驗結果與模擬進行了比較，以了解微型機器人之間的相互作用。他們觀察到四個自由度(DOF)來控制微型機器人對。其中包括濕轉移過程中的抓握(一個自由度)，定位(兩個自由度)和方向(一個自由度)?？茖W家使用這四個可控制的輸入來操縱浮動模式。他們將鐵/ PDMS混合物的磁化特性表征為一致的微型機器人設計的一般指南。

在實驗過程中，研究小組首先放下磁鐵，以使微型機器人分開并圍繞目標圖案定位。然后，他們舉起磁鐵以縮小微型機器人之間的間隙，并抓住圖案以便隨后對準目標纖維基材。微型機器人的抓地力不會引起圖案變形。最后，他們再次放下磁鐵，以使抓取器松開花樣并將機器人對移開。使用該設置，研究人員將浮動圖案濕轉印到光纖上。在微型機器人的六步制造過程中，科學家將任意金(Au)模式(例如電極或應變儀)轉移到了光纖上。要了解圖案傳輸的精度，他們測量了沉積在光纖上的兩個互補圖案之間的偏移。Barbot等。觀察到在光纖彎曲接觸位置上長期圖案粘附的挑戰(zhàn)。

微型機器人輔助濕式傳輸用于纖維功能化的示例應用。(A)頂部：纖維支撐電極和專用PCB之間的接口。下圖：帶和不帶電沉積Pt黑的兩電極器件的阻抗特性。(B)基于纖維的2D石墨烯器件。進行連續(xù)的濕轉印以依次構圖金跡線，然后形成石墨烯膜。石墨烯的存在通過拉曼光譜法和等離子體破壞性測試來評估。(C)打印到纖維尖端的功能化微型工具3D的SEM圖片。將Au軌道對齊并以良好的一致性轉移到3D結構上。(D)基于纖維的應變儀，設計用于基于其電阻率變化來測量纖維變形。

該團隊優(yōu)化了擬議的微型機器人輔助濕傳輸方法，以設計各種設備。他們通過將具有圖案的纖維轉移到印刷電路板上來形成電子設備，并使用25 µm的金線實現了電連接。他們形成了這種電化學傳感器，可用于微導管中和其他可植入設備?？茖W家還展示了使用幾層不同材料的制造技術，以在直徑200 µm的玻璃纖維上形成一個兩端石墨烯器件。他們選擇石墨烯是因為該材料具有獨特的電極特性。他們使用該方法將有源機電設備集成到3-D基板上，然后在復雜的3-D結構上進行構圖。例如，他們在170 µm玻璃毛細管纖維尖端微型工具(使用雙光子光刻技術制造)上轉移了Au圖案。這項工作將為使用混合微細加工技術在微觀規(guī)模上設計復雜的機電設備鋪平道路，該技術在精確的臨床生物標志物檢測和精確手術中具有廣泛的應用。

這樣，Antoine Barbot和一組跨學科的研究人員提出了一種實用的解決方案，可以將微米級精度的薄膜和2-D晶體濕轉移到3-D基板上。他們開發(fā)了一種浮動磁微型機器人，該機器人能夠存儲首選的磁化方向，以便在永久磁場下對其進行操縱。研究團隊通過調整磁體的位置來微調機器人微型抓爪，以抓取，對齊和釋放浮動的二維圖案。

提議的設置簡單，可重復且可靠。新的制造技術將為介入手術中的電化學傳感器，微致動器和復雜的二維電子設備打開新的應用領域。Barbot等人的未來重點。它將包括基于多層范德華2-D晶體的工程分層設備，以將活性成分整合到纖維尖端上，并最終形成可驅動和感應能力驅動的納米級或微米級纖維機器人。