Adv. Mater.:「用磁場吹氣球」實現醫療應用

磁控軟體機器人是一種具有較好人機互動能力的新型機器人,在醫療領域的應用有著巨大的潛力。但是因為軟材料的柔軟性,導致此類機器人無法進行有效儲能,因而存在輸出力較小、能量密度低的問題,無法滿足諸多醫療手術需求。

近日,同濟大學唐一超課題組與德國馬克思普朗克研究所合作研發了一種基於相變機制的無線軟體機器人。在磁場的驅動下,這種機器人可以對外部環境進行高能量密度輸出,實現 70N的輸出力和175.2 J/g的比功,在不犧牲柔軟特性的基礎上將磁控軟體機器人的比功提升了6到7個量級。此外,此軟體驅動器可以通過可程式設計磁化,獲取跳躍、蠕動等運動模式,為相關的醫療機器人介入人體環境提供了可能性。在此基礎上,本文通過動脈假體環境下流體衝擊實驗驗證了其優秀的錨固和阻塞能力,並結合雙穩態超材料套管,設計可進行摺疊-展開的雙穩態支架,有望在更多醫療領域進行相關應用。這項研究成果近期以「Wireless Miniature Magnetic Phase-Change Soft Actuators」為標題,發表於Advanced Materials。

雙源磁感應助力無線控制和高能量輸出

本文利用「磁場吹氣球」的機制提升磁控軟體機器人能量輸出,即通過射頻磁場遠端加熱軟體腔內的液體,使其沸騰從而產生壓強,實現高能量輸出。具體來說,作者將液體包裹在含有四氧化三鐵奈米顆粒的柔軟材料外殼中,四氧化三鐵在射頻磁場作用下發熱,使內腔液體沸騰成氣態。此外,該軟外殼由含釹鐵硼顆粒的矽膠構成,在低頻磁場下可進行可控移動。以上用到的射頻磁場和低頻磁場控制手段均具有無接觸性,因此可以對驅動器進行遠端無線控制。

圖1:磁控相變機理

圖1:磁控相變機理

視訊1:磁控「吹氣球」

視訊2:磁控相變機器人在受限空間的運動和膨脹

對該類機器人而言,變形過程中逐漸積累的應變能阻礙了能量輸出,因此本文采用最簡單的單腔結構設計,並通過結構最佳化,降低機器人在變形過程中的阻力,最大程度地把能量輸入轉換為能量輸出。單腔設計使得毫米尺度機器人可以對環境產生70N輸出力,最高比功達到175J/g,性能遠超主流磁控軟體機器人。得益於此,該機器人有潛力應用於血管阻塞。通過低頻和射頻磁場的交替驅動,機器人可以運動至指定位置,在射頻磁場激勵下撐住血管並承受0.24米/秒的脈動流體衝擊(動脈血流速度為0.049-0.19米/秒)。

視訊3:磁控相變機器人的血管阻塞測試,可以承受0.24米/秒的脈動流體衝擊

基於磁控相變軟體驅動的血管支架

支架是醫生解決心多類血管疾病的主要手段之一,目前的支架置入技術已經比較成熟,但這種技術需要藉助導管輸送,且支架一旦釋放將永久停留在體內,無法進行重定位或回收。本項研究將相變驅動器與雙穩態形狀記憶套筒結構相結合,開發出一種在磁場控制下可以進行可逆展開-閉合的支架結構,該結構利用相變材料和形狀記憶高分子對射頻磁場的感應靈敏度的差異,實現在單一驅動信號下(射頻磁場)支架可逆的摺疊和展開。

視訊4:磁控雙穩態支架

視訊5:雙穩態支架在假體中的可逆驅動測試

總的來說,該項研究利用簡單的相變機制,大幅提升了磁控機器人的比功和輸出力,實現了微型醫療機器人的性能躍進,距離運用磁控微型機器人技術解決現實世界的臨床問題更近了一步。

同濟大學唐一超教授和德國馬普所李明通博士為該研究工作的共同第一作者;胡文琪教授和Metin Sitti教授為共同通訊作者。論文第一單位為同濟大學。

論文連結:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202204185

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