作者:张晴丹 来源:科学网微信公众号 发布时间:2022/6/26 21:00:17
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人体内“快递员”登Nature子刊!博后一作即将回国任教985高校

 

文 | 《中国科学报》记者 张晴丹

哪里需要送哪里,人体内也可以有精准送药的“快递员”了!

它是一款豌豆大小的机器人。

相关论文于6月15日发表在Nature子刊Nature Communications上,第一作者是美国斯坦福大学机械工程系博士后迮弃疾。他即将在今年下半年回国在西安交通大学任教。

“功能最强大的微型机器人”

“我们都觉得这个机器是我们开发的过功能最强大的微型机器人,希望未来可以应用到人体内。”迮弃疾告诉《中国科学报》。

它是一个无线操控的水陆两栖折纸机器人,通过旋转和折叠功能,可以在复杂地形快速前行,并在液体中自由游动,不仅可以按需释放液体药物,还能主动吸取物体运出体外。

这个机器人的想法最早起源于2020年。在迮弃疾与导师赵芮可的一次常规讨论时,赵芮可提出,“我们用Kresling折纸结构设计了机械臂和陆地上的爬行机器人,有没有可能让它能在水里游呢?Kresling的几何形态具有和螺旋桨类似的结构,如果我们能利用磁场让它高速旋转,那么是否可以在水中产生推进力?”

Kresling折纸机器人的类螺旋桨结构。 受访者供图

经过第一次的尝试,机器人确实在水中旋转过程中向前移动。然而,此时的机器人只能在狭窄的水域游动,应用范围比较局限。为了克服这个缺点,在组会上,大家讨论热烈,之后在机理方面进行了深入研究,最终发现机器人的密度会对运动性能产生极大的影响。

“我们花了大量时间尝试不同的设计和小型化,让机器人在水里能产生理想的推进力。同时为了丰富机器人的功能和扩展应用场景,我们探索了在多种环境里的运动,比如陆地、水里及高粘性表面等模拟的人体内环境。不断设计优化,最终实现了运动环境不受限制。”论文通讯作者、美国斯坦福大学助理教授赵芮可告诉《中国科学报》。

同时,考虑到人体环境的狭窄,机器人尺寸被大幅缩小,文章中机器人直径7.8毫米,只有豌豆大小,小于常规胶囊。在文章发表后,他们又进一步将机器人直径缩小至2毫米——只有圆糯米大小,未来希望可以在血管中得到应用。

有了自由运动的微型机器人,还需要赋予它实现任务的能力。折纸结构固有的变形特性这时候就发挥了作用。当施加周期变化的磁场时,机器人可以循环收缩展开,触发内部的放药机制,配合机器人的运动能力,即可实现定向定量的送药。

除此之外,通过在机器人不同部位引入开孔,在高速旋转时,机器人内部可以产生一个负压区域。该机制不但可以用于提高机器人游动的速度,还可以被用于主动吸取物体。

经过接近两年的“打磨”,团队对机器人的功能性和极强的环境适应能力非常满意。在经过多轮的修改完善后,文章在今年3月份投稿Nature Communications,两个月左右就被顺利接收。

审稿人也认为这款机器人的设计非常巧妙,机器人机构简单,但可以实现极为复杂的功能。论文发表当天,Nature将该成果作为研究亮点(Research Highlights)进行了报道。

赵芮可团队:左一赵芮可,右一迮弃疾。 受访者供图

“感觉自己是在冒险”:跨学科的探索

迮弃疾在赵芮可团队从事博士后研究已有4年。回想当初选择加入这个团队的时候,他感慨自己“很有勇气”。

迮弃疾本硕博都在国内完成,学的电气工程与自动化,研究的都是电机、电磁控制等。而赵芮可团队主要做力学、机械以及智能材料方面的研究。两者是完全不一样的学科背景。

“赵老师给我分析了电磁控制在智能材料和软体机器人领域的广阔前景,然而在考虑是否加入她的团队时,我内心纠结了很久,毕竟学科跨度太大了,要在完全不熟悉的领域开辟新天地,一切谈何容易。”迮弃疾说。

在赵芮可眼里,迮弃疾是一个对科研有很高的热情、会继续走学术道路的人,“他自身有很多强项。”

“我感觉自己当时确实挺冒险的,不过既然老师敢招我,那我也敢去。那时候我就想,人生能有几回搏,大不了失败了回家卖红薯!”

团队的一个主要研究方向是微型机器人研究,并希望在生命医疗领域有所应用。

靶向给药是目前医学界非常关注的研究,任何疾病都迫切需要实现这一技术。原因很简单,平常口服药,药物会在人体内被稀释,真正需要药物治疗的地方只能分到一点点,使药效大打折扣。

想在人体内派送一个精准送药机器人,就得把尺寸做到很小。在赵芮可看来,尺寸越小越好,这样在人体内能去的地方就更多,能执行的任务也更多样化。

在此目标之下,就意味着要去掉传统机器人身上的各类电子器件,同时有线的驱动方式也会对人体内的应用产生诸多限制,而磁场由于无线操控的特点就成为了理想的选项。于是,迮弃疾擅长的电磁控制研究就派上了用场。

他们研究出的机器人十分灵巧,完全用磁驱动来控制机器人旋转以及收缩:旋转可以实现所有的运动功能,并达到水陆两栖的效果,去到任何想去的地方;收缩是通过折纸结构的可折叠性,赋予机器人给药功能,在指定的地方释放药物。

在磁场的控制下,这些机器人“快递员”前行速度非常快,即使在液体里游行,也能达到每秒10厘米以上。而且中途不会遗失药物,可将其安全快捷地送到指定位置。

豌豆大小的机器人能在复杂的人体环境中灵活行动,并精准给药。 受访者供图

将来,它还可以在体内安装微型相机,用于内窥镜检查和活检等,甚至还能帮助清除复杂血管系统中的血块,以辅助治疗中风或心脏病。

从很后悔、不甘心,到对未来充满期待

从本科一路走到现在,迮弃疾心中有太多感慨。

“上大学的时候有些许懈怠,早期并没有全身心投入学习。保送硕博连读后,虽然对科研很感兴趣,也主动参加机器人比赛,但因为缺乏紧迫感,一直没有全身心地投入科研当中。”

在经历了一段时间的消沉后,迮弃疾逐渐意识到这种状态非常危险。于是,他开始重新审视自己,强迫自己集中精力做研究,并调整生活状态,主动找导师定期汇报工作、讨论科研方向,让一切重新步入正轨。

虽然做出了改变,但迮弃疾心里还是纠结,自己“太晚悟到一些道理,浪费了很多时间,感到很遗憾。”

“2018年博士毕业后,我有一些不甘心,想知道自己是不是还有潜力没有发挥出来。所以我想出国做博士后,到全新的前沿研究阵地‘长见识’,汲取新知识,积累更多的成果。”迮弃疾说。

初到赵芮可团队时,迮弃疾在科研工作上遭遇了“水土不服”。美国的教育风格、科研环境完全不同,再加上跨学科的难度,他要调整以前做研究的习惯、思维模式,适应过程比较痛苦。

与家人相隔万里,几乎每天都过着实验室和宿舍的两点一线生活,科研工作的繁忙让迮弃疾无暇顾及其他。

他能一路坚持下来,离不开妻子这个坚强的后盾。“我很感谢她的支持与理解,异地恋都很困难,何况我们还是异国。她是我硕士时期的同学,无论是生活中还是工作中都有很多共同话题,她也非常理解我的工作性质,所以我们不曾发生争吵,还经常在情绪低落时互相打气。”迮弃疾说。

说到这里,迮弃疾还另外感谢了同实验室的博士生吴帅,他也是这篇论文的共同一作。除了科研上的互帮互助,在生活上,他们也是最紧密的伙伴。

4月1日发表的成果被选为Science Advances封面论文

4年披星戴月搞科研,也取得了令自己满意的成果。仅是今年,迮弃疾作为一作就已发了两篇论文。除了前文提及的这篇,另外一篇在4月1日以封面论文的形式发表在Science Advances上,报道的是一款折纸结构的爬行机器人。

“虽然前期经历了很多的波折,但好在结果还不错,感觉自己的努力也算是没有白费。现在想想虽然走过了很多弯路,但是一切经历都有独特的意义。很多事情顺其自然就挺好,不用给自己太大的精神压力。”迮弃疾说道,现在他最期待的事情就是回国和家人团聚,未来他也希望可以做出可以真正应用在医疗上的机器人。

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-022-30802-w

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm7834

 
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