機(jī)器之心報(bào)道

機(jī)器之心編輯部

有研究提出一種原位制造微型機(jī)器人的方法，登上《Science Robotics》封面。

幾十年來(lái)，智能微型機(jī)器人的研究越來(lái)越多。通過(guò)小型化組件和系統(tǒng)，微型機(jī)器人有望在小范圍內(nèi)執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)，如細(xì)胞定位、靶向藥物輸送和微創(chuàng)手術(shù)。微型機(jī)器人的發(fā)展已經(jīng)從硬質(zhì)結(jié)構(gòu)開(kāi)始向柔性結(jié)構(gòu)過(guò)渡，不受束縛的軟體微型機(jī)器人受到越來(lái)越多的關(guān)注。

不過(guò)目前看來(lái)，不受束縛的軟體微型機(jī)器人的制造存在一些局限性，例如組裝和集成都是基于傳統(tǒng)方法。機(jī)器人上的微型部件通過(guò)不同的微加工工藝在不同地方制備，然后才能組裝成一個(gè)具有特定功能的微型機(jī)器人。

這一點(diǎn)和大自然中的生物不同。細(xì)胞、組織、器官等生物系統(tǒng)是通過(guò)協(xié)調(diào)超分子和細(xì)胞進(jìn)程自下而上自組裝的。我們以小鼠為例，在小鼠肢體肌肉骨骼系統(tǒng)的發(fā)育過(guò)程中，第一步是通過(guò)間充質(zhì)干細(xì)胞、肌源細(xì)胞的分化和增殖形成肢體初級(jí)骨骼結(jié)構(gòu)和肌肉；然后，骨骼和肌肉之間生成骨嵴和肌腱，形成小鼠的功能性肢體。我們可以將小鼠的這種發(fā)育方式稱為原位構(gòu)建（situ constructed）。

如果微型機(jī)器人可以用類似于小鼠的方式進(jìn)行原位構(gòu)建，那么機(jī)器人系統(tǒng)將更容易形成，避免復(fù)雜的組裝和集成，從而降低相關(guān)成本。

已有研究證明原位構(gòu)建可用于制造軟體微型機(jī)器人，不過(guò)將其成功應(yīng)用于微型機(jī)器人的關(guān)鍵是合適的活性材料。這種材料必須具有一種特殊的性質(zhì)，即通過(guò)微加工就能圖形化（patterned）所需的 2D 或 3D 結(jié)構(gòu)，并按照目標(biāo)機(jī)械結(jié)構(gòu)自主組裝。

基于此，活性材料可以考慮生物分子馬達(dá)（biomolecular motor），其主要由生物大分子構(gòu)成，可有效地將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。生命體的一切活動(dòng)，包括肌肉收縮、物質(zhì)運(yùn)輸、DNA 復(fù)制、細(xì)胞分裂等，追蹤到分子水平都是來(lái)源于具有馬達(dá)功能的蛋白質(zhì)大分子做功推送的結(jié)果。

最近的研究表明，在體外，生物分子馬達(dá)可以由活性收縮材料組成，并且人工地將分子馬達(dá)組織成大陣列取得了一些進(jìn)展，這些陣列可以達(dá)到活細(xì)胞中肌肉收縮所產(chǎn)生的力和運(yùn)動(dòng)水平。

在之前的工作中，就有研究者提出了一種具有光誘導(dǎo)的分子馬達(dá)收縮網(wǎng)絡(luò)，在紫外線 ( UV ) 照射下，形成肌肉狀分層組織。如果將這種網(wǎng)絡(luò)固定在照射區(qū)域，就會(huì)產(chǎn)生微牛頓拉力。這種人造肌肉將分子馬達(dá)的納米級(jí)作用放大到工程系統(tǒng)的宏觀運(yùn)動(dòng)。人造分子馬達(dá)的擴(kuò)展性和收縮性都比較強(qiáng)，為微型機(jī)器人的應(yīng)用提供了希望。

現(xiàn)在，來(lái)自大阪大學(xué)、岐阜大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究者提出了一種原位制造微型機(jī)器人的方法。該研究登上《Science Robotics》封面。

論文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.aba8212

該研究首先用到了微流控芯片，它能將水凝膠機(jī)械結(jié)構(gòu)（水凝膠預(yù)聚物）和人造肌肉執(zhí)行器（生物分子馬達(dá)）通過(guò)光流光刻技術(shù)連續(xù)圖形化，并在原位集成到一個(gè)功能機(jī)器人系統(tǒng)中。

其次是 PEGDA（聚乙二醇二丙烯酸酯）水凝膠，其具有可調(diào)節(jié)的機(jī)械性能、優(yōu)異的生物相容性和穩(wěn)定性，以及在非離子表面活性劑的幫助下在水環(huán)境中可以移動(dòng)等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。該研究將 PEGDA 水凝膠的機(jī)械性能和人造肌肉的收縮特性結(jié)合，以改進(jìn)微型機(jī)器人的設(shè)計(jì)。

下圖是使用該研究提出的原位微型機(jī)器人制造方法生產(chǎn)微型機(jī)械抓手的過(guò)程。其中，微流控芯片由聚二甲基硅氧烷 ( PDMS ) 制成，這是一種高分子有機(jī)硅化合物，包含多個(gè)用于混合、制備和集成的微通道。

為了驗(yàn)證所提方法，該研究制造了運(yùn)動(dòng)方式不同的微型機(jī)器人和具有獨(dú)特特性的片上機(jī)器人。

人造肌肉可以連接部件的不同部位，下圖以微型機(jī)械臂為例說(shuō)明了該研究所提方法的有效性。該機(jī)制模仿了人體的肌肉骨骼系統(tǒng)，并使用肌腱狀的支柱來(lái)有效地傳遞力。這種微型機(jī)械臂是用水凝膠快速制備而成，如下圖 ( B ) 所示。在下圖 5 ( C ) 中，在左右兩側(cè)依次對(duì)人造肌肉進(jìn)行光化處理，并通過(guò)雙向旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂關(guān)節(jié)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)測(cè)試。根據(jù)收縮特性，前臂立柱產(chǎn)生的力為 0.8 μN，關(guān)節(jié)產(chǎn)生的扭矩最大為 9.6 × 10^−11 N · m。關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度隨時(shí)間變化情況如下圖 ( D ) 所示。