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北理工微納生物操作團隊在微納機器人與生物醫學工程領域取得重要進展


北京理工大学智能机器人研究所黄强教授与王化平副教授的微纳生物操作团队在微纳机器人与生物医学工程领域取得重要进展,1月18日,该研究成果“面向环境自适应定位、采样与释放的离子响应形变微机器人执行器”(Ionic shape-morphing microrobotic end-effectors for environmentally adaptive targeting, releasing, and sampling),以研究长文(Research Article)形式在线发表于自然子刊《自然?通讯》 (Nature Communications)。该成果首创了以单一可降解生物材料实现微机器人在环境感知下的自形变,从而解决了微机器人在人体等活体封闭环境下进行无创采样、运输、投递与回收等一体化作业的难题,这将在癌症等重大疾病精准医疗领域产生深远意义。

高精尖中心、機電學院黃強教授與王化平副教授爲論文通訊作者,博士生鄭志強爲論文第一作者,石青教授、董立新教授等全程參與了研究工作。北京理工大學是該論文唯一完成單位。

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图1 环境感知自形变微机器人在动物体内作业机理示意图及研究思路

面對癌症發病率日益增高的現實,科學家們一直致力于開發微機器人取代傳統手術,實現無創病理采樣、藥物精准投放等功能,爲患者提供更爲安全、直接、有效的治療方式。目前,微機器人的運動與形變大多通過人爲提供驅動力和形變刺激源遙控實現,整個過程需要實時監測機器人的位置與狀態,以便確認何時何地發送形變指令開展作業。鑒于人體等活體環境實時監測手段與反饋信息的局限性,開發具有自主形變功能的智能化微機器人,對于有效減少人爲介入、大幅提升活體作業的可行性與靈活性具有重要意義。

生物環境感知——讓微機器人“智能化”

該團隊發現褐藻酸水凝膠在非均一電沈積交聯固化後具有不同局部密度,受離子濃度、pH值變化的激勵可進一步發生交聯或分解反應從而積累局部應變,在整體結構上展現爲形變與開合。由于離子、pH均爲人類等活體中天然存在的環境,該發現激發了團隊研發具有生物環境感知自主形變微機器人的靈感。

受海星捕食貝類運動過程的啓發,團隊以該非均一化水凝膠構建了仿海星微機器人,使其柔性觸手能夠在液體環境下以自主形變有效貼合任意目標的外部輪廓進行抓取與釋放。通過非均勻電場交聯固化,具有不同密度的水凝膠網絡被嵌入到仿海星微機器人的褐藻酸單層薄膜結構中,在微機器人進入人體等活體消化系統後,即能感應pH環境(胃pH:1-3、腸道pH:6-8)自主形變。

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图2 仿海星微机器人在pH环境感知下的自主形变(比例尺:500μm)

多模驅動與生物降解——讓微機器人“多元化”

仿海星微機器人可模仿海星的多種驅動模式。如通過捕獲磁性微球,以“搭便車”的形式隨磁球在磁場作用下被動運動,或通過機器人體內封裝磁性納米材料實現磁驅主動運動。最後,在到達目標區域後,通過自主形變調整姿態完成貼附、投遞、采樣等不同作業任務。這種由水凝膠單一材料構建的全新微機器人還具有完全的生物可降解性,能夠解決活體封閉環境下完成作業後的回收難題。

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图3 微机器人在主动式、被动式运动下作业(比例尺:500μm)

通過有效利用這種水凝膠網絡定制化嵌入策略,團隊未來將繼續探索任意形貌單層自主形變微機器人結構的剪裁技術,爲微機器人模仿生物世界各種軟體形變鋪平新的道路,爲複雜封閉活體環境下的自適應精密生物微操作提供使能支撐,在未來如心腦血管溶栓、潰瘍性結腸炎、腫瘤等病竈藥物長效釋放等精准醫療與組織修複等方面實現微機器人形態與功能的多元化。


附團隊介紹:

北理工生物微纳操作团队依托机电学院和高精尖中心,面向世界前沿,在微纳机器人、微纳生物制造等方面已开展了一系列研究,相关成果发表在Nature Communications,ACS Applied Materials & Interfaces,Lab on a Chip、Biofabrication、IEEE Trans汇刊等国际知名期刊。此次论文以研究生作为唯一第一作者,由本团队与名古屋等国际知名高校联合培养,展现了团队围绕科技前沿的国际化人才培养模式积极探索取得阶段性进展。同时,表明了团队在微纳机器人技术领域的研究在国际上的影响力稳步提升。

論文下載地址:https://www.nature.com/articles/s41467-020-20697-w



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