如果您曾經(jīng)吞過同一個圓形藥片，希望能治愈從胃痙攣到頭痛的一切疾病，那么您已經(jīng)知道藥物并不總是旨在治療精確的痛點。雖然幾十年來非處方藥已經(jīng)治愈了許多疾病，但生物醫(yī)學研究人員最近才開始探索在治療更復雜的疾病(如心血管疾病或癌癥)時改善靶向藥物輸送的方法。

在這個蓬勃發(fā)展的生物醫(yī)學領(lǐng)域中，一個有前途的創(chuàng)新是millirobot。這些指尖大小的機器人有望成為醫(yī)學未來的救星——爬行、旋轉(zhuǎn)和游泳以進入狹窄空間，執(zhí)行其任務以調(diào)查內(nèi)部運作或分配藥物。

在這一領(lǐng)域的領(lǐng)先研究，斯坦福大學機械工程師 Renee Zhao 正在同時進行許多微型機器人的設(shè)計——包括一個 磁性爬行機器人，它最近在《科學進展》的封面上被看到通過胃 蠕動。由磁場提供動力——允許連續(xù)運動，并且可以立即應用以產(chǎn)生扭矩并改變機器人的移動方式——她的機器人可以自行選擇不同的機車狀態(tài)并克服身體中的障礙。僅僅通過改變磁場的強度和方向，趙的團隊就可以讓機器人以 10 倍于機器人長度的距離在身體上航行。

她研究的一個關(guān)鍵方面是，磁驅(qū)動還為非侵入性操作提供不受束縛的控制，并將控制單元與設(shè)備分開以實現(xiàn)小型化。趙說，他們最近 在 Nature Communications上發(fā)表的機器人 是“我們開發(fā)的最強大、功能最強大的無繩機器人”。

這種新的“具有旋轉(zhuǎn)功能的無線兩棲折紙毫機器人”正如其名稱所暗示的那樣多功能。它是一個構(gòu)思優(yōu)雅的單一裝置，可以快速穿過器官光滑、不平坦的表面并在體液中游動，在運輸液體藥物的同時無線推進自身。與吞服藥丸或注射液體不同，這種機器人會一直保留藥物，直到“到達目標，然后釋放高濃度藥物，”機械工程助理教授趙說。“這就是我們的機器人實現(xiàn)靶向給藥的方式。”

重塑藥物輸送

趙說，這種特殊的兩棲機器人的開創(chuàng)性在于，它超越了大多數(shù)基于折紙的機器人的設(shè)計，后者僅利用折紙的可折疊性來控制機器人的變形和移動方式。

除了折疊如何使機器人能夠執(zhí)行某些動作——想象一下手風琴折疊可以擠出藥物——趙的團隊還考慮了每個折疊的確切形狀的尺寸如何影響機器人在未折疊時的剛性運動。因此，機器人的展開形式天生就適合在環(huán)境中推進。這種寬泛的考慮使研究人員能夠在不增加體積的情況下更多地利用這些材料——在趙的世界里，機器人設(shè)計中的單一結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的功能越多，醫(yī)療程序的侵入性就越小。

機器人設(shè)計的另一個獨特方面是某些幾何特征的組合。機器人中心的縱向孔和側(cè)面向上傾斜的橫向狹縫降低了水阻力并幫助機器人更好地游泳。“這種設(shè)計在機器人內(nèi)部產(chǎn)生負壓以進行快速游泳，同時為貨物的拾取和運輸提供吸力，”趙說。“我們充分利用了這個小型機器人的幾何特征，并探索了針對不同應用和功能的單一結(jié)構(gòu)。”

根據(jù)與斯坦福大學醫(yī)學系專家的對話， 趙實驗室正在考慮通過構(gòu)建新技術(shù)來改進當前的治療和程序。如果這項工作按照趙的方式進行，她的機器人不僅可以提供一種有效分配藥物的便捷方式，還可以用于將儀器或照相機攜帶到體內(nèi)，從而改變醫(yī)生檢查病人的方式。該團隊還致力于使用超聲波成像來跟蹤機器人的去向，從而消除任何切開器官的需要。

越小越簡單越好

雖然在對最佳設(shè)計和成像最佳實踐有更多了解之前，我們不會在真正的醫(yī)療保健環(huán)境中看到像趙這樣的微型機器人，但自然通訊中重點介紹的實驗室首創(chuàng)的游泳者 是他們走得最遠的機器人之一。它目前處于人體臨床試驗進行的任何活體動物試驗之前的試驗階段。

與此同時，趙的團隊繼續(xù)將各種新穎的智能材料和結(jié)構(gòu)組合成獨特的設(shè)計，最終形成新的生物醫(yī)學設(shè)備。她還計劃繼續(xù)縮小她的機器人規(guī)模，以進一步進行微尺度的生物醫(yī)學研究。

作為一名工程師，趙努力開發(fā)最簡單的結(jié)構(gòu)和最多的功能。她的兩棲機器人體現(xiàn)了這一使命，因為它激發(fā)了她的團隊更充分地考慮其他折紙機器人研究人員尚未普遍優(yōu)先考慮的幾何特征。“我們開始研究所有這些是如何并行工作的，”趙說。“這是這項工作的獨特之處，在生物醫(yī)學領(lǐng)域也有廣泛的潛在應用。”