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西安交大唐敬达/华科邓谦团队：用于微创治疗的3d打印仿生微型机器人
更新时间：2021-12-15 13:07:49
磁性驱动的小型软机器人由于其快速、可编程变形，能够远程、无绳驱动完成复杂任务，在生物医学领域具有广阔的应用前景。尽管针对磁性软机器人提出了多种材料和设计，但在小磁场下产生强驱动仍然具有挑战性。受节肢动物物种的启发，来自西安交通大学唐敬达副教授和华中科技大学邓谦副教授研究团队利用3D打印水凝胶开发了具有关节结构的磁性软微型机器人，这种磁性节肢动物微型机器人在外科手术中具有潜在应用。相关论文“Magnetic Arthropod Millirobots Fabricated by 3D-Printed Hydrogels”发表于杂志advanced intelligent systems上。
在本文中，研究者开发了一系列仿生磁性节肢动物微型机器人。 基本变形单元是带接头的磁束。关节可以将弯曲变形转化为折叠变形，关节区域局部变形。 如图1d所示，连接的梁变形为v型(折叠模式)，而没有连接的梁变形为u型(弯曲模式)。 显然，v形试样的应变能储存更密集，且集中在锐角附近。 从图1e可以看出，折叠模式比弯曲模式更节能，因为要达到与弯曲模式相同的弯曲角度，折叠模式所需的应变能更少。 在这里，研究者用墨水打印的磁性水凝胶制造了磁性节肢动物微型机器人。该油墨由微凝胶增强聚丙烯酰胺(PAAm)水凝胶前驱体、纳米粘土和钕铁硼(NdFeB)微粒构成(图1f)。
首先，研究者研究了作为基本单元的连接悬臂梁的变形。从图2a可以看出，在相同的外加磁场作用下，连接梁的弯曲角度比没有连接梁的弯曲角度大。这是因为连接区域的厚度较小，弯曲刚度较低，因此在相同的外加磁场下产生较大的挠度。为了预测梁的变形，研究者对其进行了有限元(FE)模拟。结果表明，在相同弯曲角度下，折叠模态的应变能约为弯曲模态的一半(图2b)。并且接头越薄，弯曲角度越大，梁的应变能随着弯曲角度的增大而增大。而极薄的接头通常会导致接头区域结构脆弱，应力集中。因此，在实验中采用中等厚度比(0.4 - 0.6)来降低磁软结构的变形能力和机械强度。
接下来研究者尝试将连接梁扩展到更复杂的结构，实现更高级的功能。图3中的软结构是用微凝胶、纳米粘土和NdFeB 制备的。采用模板辅助磁化的方法，按需对印刷结构的磁化曲线进行编程。结果发现不同形状的材料均能对磁场做出响应，变化出不同的动作。
研究者进一步设计了一种具有多种运动方式的六臂结构(图4)。微型机器人的磁化曲线如图4a的中心方案所示，其中手臂的磁化强度是向下的，主体的磁化强度是向上的。利用永磁体产生的梯度磁场对微型机器人进行驱动和控制。通过改变外加磁场的幅度和方向，可以控制微型机器人完成一系列的任务。
最后研究者使用六臂微型机器人在猪器官体外进行异物取出实验。在异物实验之前，研究者使用小鼠胚胎成纤维细胞测试了磁性水凝胶的生物相容性。结果显示，24h培养后，相对细胞存活率为90%(图5c)，表明磁性水凝胶表面的毒性水平是可接受的。研究者演示了使用微型机器人在猪主动脉中取出异物(图5d)。整个过程在10秒内完成。在猪胃和猪肠中可进行同样的操作(图5e-f)。
在本文中，研究者开发了一系列仿生磁性节肢动物微型机器人。 基本变形单元是带接头的磁束。关节可以将弯曲变形转化为折叠变形，关节区域局部变形。 如图1d所示，连接的梁变形为v型(折叠模式)，而没有连接的梁变形为u型(弯曲模式)。 显然，v形试样的应变能储存更密集，且集中在锐角附近。 从图1e可以看出，折叠模式比弯曲模式更节能，因为要达到与弯曲模式相同的弯曲角度，折叠模式所需的应变能更少。 在这里，研究者用墨水打印的磁性水凝胶制造了磁性节肢动物微型机器人。该油墨由微凝胶增强聚丙烯酰胺(PAAm)水凝胶前驱体、纳米粘土和钕铁硼(NdFeB)微粒构成(图1f)。
图1 磁性节肢微型机器人的设计与制造
首先，研究者研究了作为基本单元的连接悬臂梁的变形。从图2a可以看出，在相同的外加磁场作用下，连接梁的弯曲角度比没有连接梁的弯曲角度大。这是因为连接区域的厚度较小，弯曲刚度较低，因此在相同的外加磁场下产生较大的挠度。为了预测梁的变形，研究者对其进行了有限元(FE)模拟。结果表明，在相同弯曲角度下，折叠模态的应变能约为弯曲模态的一半(图2b)。并且接头越薄，弯曲角度越大，梁的应变能随着弯曲角度的增大而增大。而极薄的接头通常会导致接头区域结构脆弱，应力集中。因此，在实验中采用中等厚度比(0.4 - 0.6)来降低磁软结构的变形能力和机械强度。
图2 弯曲和折叠
接下来研究者尝试将连接梁扩展到更复杂的结构，实现更高级的功能。图3中的软结构是用微凝胶、纳米粘土和NdFeB 制备的。采用模板辅助磁化的方法，按需对印刷结构的磁化曲线进行编程。结果发现不同形状的材料均能对磁场做出响应，变化出不同的动作。
图3 磁软结构的形状变化
研究者进一步设计了一种具有多种运动方式的六臂结构(图4)。微型机器人的磁化曲线如图4a的中心方案所示，其中手臂的磁化强度是向下的，主体的磁化强度是向上的。利用永磁体产生的梯度磁场对微型机器人进行驱动和控制。通过改变外加磁场的幅度和方向，可以控制微型机器人完成一系列的任务。
图4 多模式运动的六臂节肢微型机器人
最后研究者使用六臂微型机器人在猪器官体外进行异物取出实验。在异物实验之前，研究者使用小鼠胚胎成纤维细胞测试了磁性水凝胶的生物相容性。结果显示，24h培养后，相对细胞存活率为90%(图5c)，表明磁性水凝胶表面的毒性水平是可接受的。研究者演示了使用微型机器人在猪主动脉中取出异物(图5d)。整个过程在10秒内完成。在猪胃和猪肠中可进行同样的操作(图5e-f)。
图5 利用磁性节肢动物微型机器人清除异物
综上所述，研究者提出了用3d打印制作磁性节肢动物软微机器人。并且设计了一种具有多模态运动的六臂节肢微型机器人，用于异物清除。值得注意的是，微型机器人用于异物清除的演示还非常初级，没有任何体内验证。对于微型机器人的效用评估还需要进行更多的研究。但3d打印结构与关节的设计理念可以扩展到更多的磁性软机器人。
来源：南极熊3D打印网 https://www.nanjixiong.com/thread-151300-1-1.html
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