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新研發磁性噴霧令物件變身微型機器人 

協助人體內導管插入和藥物傳輸

City University of Hong Kong

Research News

香港城市大學(香港城大)科學家領導的一支聯合研究團隊,近日研發出在物件表面噴塗一層膠水般的磁性噴霧,便可輕易地將物件變為微型機器人。在磁場的驅動下,化身成微型機器人的物件可以於不同的表面上爬行、行走或者滾動。這種磁性噴霧生物兼容,而且所形成的外層可於有需要時崩解成粉末,令這項技術於生物醫學上的應用,例如在導管插入和傳輸藥物等方面,極具潛力。

研究團隊由香港城大生物醫學工程學系(BME)副教授申亞京博士領導,並與中國科學院深圳先進技術研究院( Shenzhen Institutes of Advanced Technology, Chinese Academy of Sciences, SIAT CAS)的研究人員合作。他們的研究成果剛於最新一期的科學期刊《科學•機器人學》(Science Robotics)上發表,題為〈An agglutinate magnetic spray transforms inanimate objects into millirobots for biomedical applications〉。

披上磁性外衣 物件即變身微型機器人

科學家一直努力地研發能夠適應不同環境,以進行探索和應用於生物醫學範疇的微型機器人。

申博士的研究團隊近日便研發出一種簡單的微型機器人構建方法:在物件表面噴上一種特別合成、像膠水般的磁性噴霧,就可令該物件變成微型機器人。他們稱這噴霧為「M-spray」。申博士解釋說:「我們的構想是,基本上任何物件披上這層磁性噴霧外衣,就可以化身微型機器人,由我們控制它如何移動。我們研發的M-spray可以黏在物件表面,然後透過磁場的驅動,『激活』該物件。」

M-spray的成份是聚乙烯醇(polyvinyl alcohol, PVA)、小麥蛋白粘粉(gluten)和鐵顆粒。不論物件的表面是粗糙抑或平滑,這種噴霧都可以瞬間穩定地緊貼於一維(1D)、二維(2D)和三維(3D)物件上,所形成的一層厚度只有0.1至 0.25毫米的薄膜,並不會影響物件原來的大小、形態以及結構。

研究人員用M-spray噴塗物件後,會因應需要,以單一或多重的磁化方向磁化該物件,使它受磁場驅動下能夠移動。然後他們把物件加熱,令磁性噴霧外層凝固。

就是這樣,已噴有M-spray的物件受磁場驅動,就會變成微型機器人,在玻璃、皮膚、木頭或沙礫等各種表面上,能以爬行、翻轉、行走或者滾動等不同的方式移動。研究團隊成功將棉線(1D)、摺紙(2D平面),聚二甲基矽氧烷(PDMS)薄膜(2D彎曲/柔軟的表面)和膠管(3D圓桶形物體)分別變成軟體爬蟲機器人、多足機器人、步行機器人和滾動機器人。

可按需要重新編程以改變移動模式

團隊研發的這種方法,特別之處在於機器人可以按照需要而重新編程(reprogramme),以改變機器人的移動模式。

論文共同第一作者之一的楊雄解釋指出,傳統機器人在製成之後,其固有形態通常無法隨意更改,因此局限了他們的移動模式。然而,只要令固化後的磁性噴霧層完全濕透,再施加強力磁場,就可以改變M-spray塗層內磁性粒子的分佈和排列方向(易磁化方向, easy magnetisation axis)。

團隊的實驗證明了以此方法,可以改變機器人的移動模式,例如機器人在一個較闊的空間裡,可以用較快速、上下彎曲身體的3D毛蟲移動模式前進,當重新編程之後,則能以較慢、身體如六角手風琴般伸縮的移動模式,貼著地面(2D)前進,穿過狹窄的隙縫。

具導航能力及能崩解的特性

這個重新編程驅動模式的特性,亦對目標導航有幫助。團隊為探究機器人於生物醫學範疇的應用潛能,遂以常用於治療或手術的導管,進行了實驗。他們證明了不論是管道中有大幅度的急轉彎抑或圓滑的轉彎位,噴有M-spray塗層的導管均可順利通過,而且噴有M-spray塗層的導管的活動能力和穩定性,不會因為管道內的血液或液體的流動而受太大的影響。

團隊又根據傳輸任務及環境,對噴有M-spray塗層的棉線的不同部分進行重新編程。實驗結果進一步顯示,棉線能夠快速並順利通過不規則而且狹窄的結構。申博士指出,從臨床應用角度而言,這樣可以避免導管在插入的過程中意外插傷喉嚨。他說:「這個可視乎任務而重新編程的特性,令M-spray塗層在複雜的食道、血管和尿道中導航導管的操作應用上,具有很大的潛力。」

這項研發的另一重要特色,是可以通過控制磁場,按需要將M-spray塗層分解成粉末。申博士說:「M-spray使用的所有材料,即PVA、小麥蛋白粘粉和鐵顆粒,都是生物兼容的,塗層崩解後可以被人體吸收或排出體外。」他強調,M-spray塗層崩解後的副作用可說是微不足道的。

成功於活兔子的胃內傳輸藥物

為了進一步驗證運用M-spray塗層機器人傳輸藥物的可行性和有效性,研究團隊以噴塗了M-spray的膠囊於兔子身上進行活體實驗。在傳輸過程中,兔子被全身麻醉,並以放射成像追蹤膠囊在兔子胃中的位置。當膠囊到達目標位置時,研究人員就施加振動磁場,令塗層崩解。申博士補充說:「M-spray這種可控崩解的特性,令藥物可以到達目標位置才被釋放,而非在器官中四處散落。」

儘管M-spray塗層在強酸環境(pH值為1)中會在大約8分鐘內便開始崩解,但研究團隊發現,於塗層表面外加一層PVA層,可將崩解延遲至大約15分鐘才開始。另外,如果以鎳顆粒代替鐵顆粒,即使在30分鐘後,塗層仍然可以在強酸環境中保持穩定。

申博士說:「我們的實驗結果顯示,使用M-spray製成的各種微型機器人能適應不同環境、不同表面的狀況以及障礙物。我們希望這種構建方法,可以開拓微型機器人在不同範疇的發展和應用,例如傳輸、可移動的傳感器和裝置等等,特別是應用於在有限空間內進行的任務。」

來自香港城大的申博士和來自中國科學院深圳先進技術研究院(SIAT CAS)的吳新宇博士,是論文的通訊作者。論文第一作者分別是香港城大BME學系的博士生楊雄,和來自SIAT CAS的尚萬峰博士。其他研究團隊成員是申博士團隊的博士生及博士畢業生:陸豪健博士、劉雁婷博士、楊柳以及譚蓉。

這項研究獲得國家科學基金會與香港研究資助局的資助進行。

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Link to English release: https://www.cityu.edu.hk/research/stories/2020/11/19/novel-magnetic-spray-transforms-objects-millirobots-biomedical-applications

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