多倫多大學(xué)多名科學(xué)家研發(fā)出磁力微型機(jī)器人，該機(jī)器人僅1-2毫米大小，通過(guò)3D打印技術(shù)只需20分鐘便可制作完成，可使用磁鐵作為遙控器，控制其朝各個(gè)方向前行，還能跳躍、抓取、翻滾等。

   微型機(jī)器人在醫(yī)療中大有用途，可用于采集組織樣本、微創(chuàng)手術(shù)等。此前已出現(xiàn)微米級(jí)磁性微游動(dòng)機(jī)器人，但這次設(shè)計(jì)使用硬磁性和極紫外光刻技術(shù)，從而達(dá)到從前無(wú)法實(shí)現(xiàn)的大幅度移動(dòng)和變形。

    華人科學(xué)家是這一研究團(tuán)隊(duì)中的重要成員，并是相關(guān)研究論文的第一、第二作者，論文題目為：Millimeter-scale flexible robots with programmable three-dimensional magnetization and motions， 發(fā)表在2019年4月24日的Science 雜志子刊《Science Robotics》中。

3D打印替代手工組裝實(shí)現(xiàn)磁性顆粒的定向

   如果使用磁鐵控制機(jī)器人，機(jī)器人也必須要使用磁性材料，因此以前的磁控微型機(jī)器人是硬質(zhì)的。為了打造一個(gè)靈活的磁控機(jī)器人，多倫多大學(xué)的研究人員將磁性元素釹的粒子嵌入到塑料等更柔軟的材料中。

   研究人員使用一對(duì)強(qiáng)力的磁鐵來(lái)翻轉(zhuǎn)機(jī)器人特定部位的釹的極性，使它們?cè)诖艌?chǎng)中發(fā)生排斥和吸引，從而實(shí)現(xiàn)折疊。然后，他們將紫外線照射在這些部位上，固化嵌入在里面的材料，并將它們鎖定在特定的位置。

研究人員給機(jī)器人編程，使其能夠通過(guò)控制不同部位的極性來(lái)進(jìn)行3D 運(yùn)動(dòng)，如抓取、爬行和游泳。

圖片：研究團(tuán)隊(duì)利用磁場(chǎng)無(wú)線控制這些機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)中使用一個(gè)游戲手柄來(lái)控制微型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

    為了協(xié)助外科手術(shù)或在人體內(nèi)運(yùn)送藥物，未來(lái)的機(jī)器人將需要放棄有毒性的釹，轉(zhuǎn)而使用鐵等危險(xiǎn)性較低的金屬。研究人員表示，使用鐵等金屬仍然可以讓機(jī)器人工作，但可能需要更強(qiáng)的磁鐵來(lái)操縱。除了醫(yī)療應(yīng)用外，這些機(jī)器人還可以被用于小型工廠生產(chǎn)微型的產(chǎn)品。

過(guò)去，組裝一個(gè)微型機(jī)器人需要一對(duì)尖嘴鑷子、一臺(tái)顯微鏡，需要研究人員穩(wěn)定的雙手，以及至少 8 個(gè)小時(shí)的操作時(shí)間。但多倫多大學(xué)的這個(gè)研究采用 3D 打印技術(shù)，僅需 20 分鐘即可打造出磁性毫米級(jí)微型機(jī)器人。

圖片：用于圖案化離散3D磁化的系統(tǒng)示意圖。（A）用于在UV可固化彈性體基質(zhì)復(fù)合材料中圖案化永磁顆粒的物理設(shè)備。DOF：自由度。（B）實(shí)驗(yàn)測(cè)量的最大交聯(lián)厚度相對(duì)于磁性顆粒濃度。誤差條表示SD。（C）具有水平和垂直磁化分量的雙層結(jié)構(gòu)的示意圖。黃色箭頭表示在每個(gè)塊中的磁化方向。（D）雙層結(jié)構(gòu)的頂視圖圖像。單位比例尺代表實(shí)際長(zhǎng)度2毫米。（E）使用磁光傳感器分別在各層的近表面處測(cè)量的面外磁通分布。利用獨(dú)立制造的兩層拍攝磁光圖像以更好地可視化磁化分布。

多倫多大學(xué)微型機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室由 Eric Diller 教授領(lǐng)導(dǎo)，他們開發(fā)的磁性微型機(jī)器人只有針尖大小，可以穿過(guò)充滿液體的血管和人體內(nèi)的器官。

圖片：具有分布式3D磁化分布的柔性磁平面結(jié)構(gòu)。黃色箭頭表示局部磁化的方向，綠色箭頭表示致動(dòng)磁場(chǎng)的方向。材料厚約80微米。“手風(fēng)琴”的驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)為200 mT，其他所有磁場(chǎng)均小于20 mT。所有組件都可以在原始形狀和折疊形狀之間進(jìn)行快速可逆轉(zhuǎn)換。

每個(gè)微型機(jī)器人都由幾個(gè)扁平柔性材料的 “薄片” 組成，上面精確地排列著磁針。制造完畢之后，研究人員就利用磁場(chǎng)誘導(dǎo)機(jī)器人，讓機(jī)器人像蠕蟲一樣在流體通道中移動(dòng)，或者將其微小的 “夾片” 合起來(lái)，從而能夠采集組織樣本。

論文第一作者徐天啟表示：“微型機(jī)器人制造起來(lái)相當(dāng)困難，而且需要高強(qiáng)度的工作，因?yàn)橹圃爝@種機(jī)器人需要十分精確。此外，由于需要手工裝配，讓機(jī)器人變小就更加困難了，這也是我們的研究的主要目的?！?/p>

徐天啟和研究團(tuán)隊(duì)的其他成員利用自動(dòng)化技術(shù)，大大減少了設(shè)計(jì)和制造時(shí)間，并擴(kuò)大了可以制造的微型機(jī)器人的種類。為了驗(yàn)證他們的新技術(shù)的能力，研究人員設(shè)計(jì)了 20 多種不同的機(jī)器人形狀，然后通過(guò)3D 打印機(jī)制造出這些設(shè)計(jì)，在打印過(guò)程中實(shí)現(xiàn)磁性顆粒的定向。

這種新的優(yōu)化方法為開發(fā)比目前的毫米規(guī)模更小、更復(fù)雜的微型機(jī)器人打開了大門。Diller 教授認(rèn)為，未來(lái)他們可以將機(jī)器人的尺寸再縮小 10 倍。

Review

   高分辨率3D打印技術(shù)與微型機(jī)器人的研究緊密相關(guān)。同樣是在4月下旬，麻省理工學(xué)院也公布了有一個(gè)磁控微型機(jī)器人研究成果。麻省理工學(xué)院的研究人員設(shè)計(jì)的微型機(jī)器人可以通過(guò)病人的血液中向病灶區(qū)域輸送納米級(jí)的藥物顆粒，使藥物能夠進(jìn)入腫瘤或其他病灶區(qū)域。

   研究人員受到細(xì)菌的推進(jìn)和運(yùn)動(dòng)方式的啟發(fā)，打造出的磁性微型機(jī)器人有助于克服納米粒子輸藥的最大障礙之一，即如何讓粒子離開血管并集聚在正確的位置。

    這 個(gè)微型送藥機(jī)器人只有0.35毫米大小，可以通過(guò)外部磁場(chǎng)來(lái)控制。這種受生物學(xué)啟發(fā)的機(jī)器人被研究人員稱為“人造細(xì)菌鞭毛”，由一種微小的螺旋結(jié)構(gòu)組成，類似于細(xì)菌推進(jìn)自身運(yùn)動(dòng)的鞭毛。這些機(jī)器人使用高分辨率3D打印機(jī)進(jìn)行打印，然后涂上鎳使其具有磁性。

    2018年8月，香港城市大學(xué)也公布了在3D打印微型機(jī)器人領(lǐng)域的研究進(jìn)展。香港城市大學(xué)的研究人員開發(fā)了3D打印的微型機(jī)器人載體，這些載體可以在生物體內(nèi)（體內(nèi)）運(yùn)輸細(xì)胞，用于靶向治療和組織再生。 機(jī)器人的球形和帶刺結(jié)構(gòu)是使用Nanoscribe的PhotonicProfessionalGT 雙光子聚合3D打印技術(shù)，該系統(tǒng)提供了“足夠的靈活性來(lái)優(yōu)化機(jī)器人結(jié)構(gòu)”。

   研究小組創(chuàng)造了幾種具有磁性和多孔性質(zhì)的3D打印微型機(jī)器人載體，以機(jī)械支持組織和器官原位再生。此外，研究人員觀察到2D細(xì)胞培養(yǎng)人工環(huán)境因其快速失去形狀而無(wú)效。

    通過(guò)微創(chuàng)設(shè)計(jì)，微機(jī)器人載體有可能進(jìn)入人體較小和更復(fù)雜的區(qū)域。這包括胃腸器官，大腦和脊髓?？紤]到這一點(diǎn)，該研究使用了Nanoscribes的雙光子聚合光刻技術(shù)，該技術(shù)能夠通過(guò)光子晶體進(jìn)行高分辨率3D圖案化。微型載體由負(fù)性光致抗蝕劑SU-850材料制成。