世界首个用于生物组织性质检测的毫米级软体机器人

2/2世界首个用于生物组织性质检测的毫米级软体机器人

2023-06-0908:38与传统医学成像相比，植入式电子传感器可以连续监测组织的高级生理特性，例如粘附力、pH值、粘弹性和用于疾病诊断的生物标志物。然而，它们通常是侵入性的，需要通过手术植入，并且经常引起炎症。鉴于此，德国马克斯普朗克智能系统研究所、瑞士苏黎世联邦理工学院及美国范德堡大学的研究者提出了一种使用无线微型软体机器人进行组织生理特性测量的微创方法。通过使用外部磁场控制机器人与组织的相互作用以及采集到的医学图像信息，生物组织特性可以基于机器人的形状和磁场信息得以估计。该机器人可以凭借多模态运动能力穿越组织屏障，在X射线或超声成像的辅助下，测量猪和小鼠胃肠道组织的粘附力、pH值和粘弹性。凭借前所未有的以最小侵入性和高分辨率感知人体深处组织生理特性的能力，该技术有潜力在基础研究和临床实践中实现关键应用。

1、世界上第一种用于生物组织特性测量的毫米级软体机器人

德国马克斯普朗克智能系统研究所及美国范德堡大学联合研制出了一种结合无线软体机器人和医学成像的系统来感知组织的高级生理特性，包括器官深处的粘附力、pH值和粘弹性（图一）。机器人的身体由具有磁性的橡胶制成的，它的双足经过特别设计可以粘附在组织表面，机器人可以在外界磁场的驱动下弯曲变形（图二），在磁场的远程控制下以多种运动模式穿越组织屏障到达指定位置后（图三），利用身体上用于进行检测的贴片与软组织的相互作用，同时通过医学成像进行监控和跟踪，实现对传统的医学成像工具、电子传感器和其他现有医疗设备难以测量的生物特性的检测。论文以“In-SituSensingPhysiologicalPropertiesofBiologicalTissuesusingWirelessMiniatureSoftRobots”为题发表在ScienceAdvances上。文章的共同第一作者为德国马克斯普朗克研究所博士生王春翔，博士后吴英丹博士，及美国范德堡大学助理教授董晓光博士。同时，文章的共同通讯作者为美国范德堡大学机械工程学院的董晓光教授及德国马克斯普朗克智能系统研究所的MetinSitti教授。图一，通过无线微型软体机器人检测软组织生理特性的系统图二，软体机器人的设计与制造图三，软体机器人的多模态运动

2、使用机器人的静态形状检测机器人与组织的粘附力

机器人运动到指定位置后，可以使用基于屈曲的静态形状来感知机器人与组织的粘附（图四）。其基本原理是，当两个机器人脚垫附着在软组织表面时，施加一个垂直于组织表面的磁场，机器人身体变形并朝向组织表面。由于屈曲效应，粘合剂贴片将加载到组织表面。而在移除磁场后，由于贴片组织粘附，机器人将保持弯曲形。之后施加一个垂直于组织表面的反方向的磁场，一旦该磁场场达到一定阈值，分布于机器人身体的磁扭矩将粘合剂贴片从组织表面脱离。将脱离瞬间的机器人身体形状与该时刻的磁场信息输入基于使用欧拉-伯努利梁理论的磁弹性模型，贴片与组织的粘附力可以被准确估计出来。图四，机器人部署到目标位置，以及基于机器人的屈曲效应检测软组织的表面粘附力将进行特殊设计的对组织表面pH值进行响应的粘附贴片附加在机器人身体上（图五），该方法可以通过贴片与组织的粘附力进而对组织的pH进行检测。图五，带有pH响应生物粘合剂贴片的软体机器人的设计

3、使用机器人的动态形状检测组织的粘弹性

机器人还可以通过分布于其整体的粘合剂贴片粘附于软组织表面（图六）。首先，机器人被部署到指定位置，利用非零净磁扭矩将其生物粘附面粘附到目标组织区域。然后，机器人在旋转磁场的驱动下测量组织粘弹性。当检测过程完成时，机器人身体可在相对较大的磁场下脱离组织表面（图七）。图六，生物粘附贴片设计图七，软体机器人的部署、检测和分离

机器人检测组织粘弹性的基本原理为，在低频率的旋转磁场驱动下，机器人的形变程度与组织的杨氏模量有关，即机器人的变形程度随组织硬度的增加减小；当逐渐增加磁场频率时，由于组织粘度的存在机器人形变程度随频率的增加而减小，通过检测幅度随频率衰减的幅度，组织粘度可被估计出来（图八）。图八，软体机器人针对不同材料和在不同磁场频率下的动态形状变化

4、精准微创医疗：定点组织的疾病监测

这款机器人具有监测和了解患有疾病的软组织的生物力学的潜力。在X射线成像设备下，机器人首先被部署到小鼠模型的患病区域，再由外部磁场驱动以实现检测组织pH与粘弹性（图九）。图九，软体机器人对小鼠模型的患病区域的组织特性进行检测

5、总结及未来展望

这项工作提出了一个使用无线微型软机器人和医学成像来感知软组织的生理特性的通用框架。该框架使用无线驱动的微型机器人与软组织表面相互作用，同时使用医学成像监测其形