研究人员正在开始探索微型机器人系统在人体中的作用

由在开姆尼茨理工大学（TU Chemnitz）和莱布尼茨IFW德累斯顿工作的奥利弗·施密特（Oliver Schmidt）博士领导的国际研究小组最近开发了一种微轨道系统，具有广泛的应用范围，可以完成从微外科手术到向人类运送货物的所有工作。该机器人在《Nature Electronics》上发表的一篇论文中提出，它基于将近十年前同一研究团队提出的想法。

施密特说：“我们首先开始探索创建微型机器人系统的想法，该系统由功能强大的喷气发动机自行驱动，并在船上装有微电子组件。我们最初的想法是建立一个能够与单个生物细胞相互作用的智能自推进微系统，该单个生物细胞的大小与微系统本身相似。该系统应该能够移动，感知环境，运输货物，运送药物并携带进行显微手术。”

自从施密特（Schmidt）和他的同事们首次提出微机器人系统的概念以来，他们的团队和世界各地的其他几个人就尝试创建类似的技术，主要是在体外。然而，事实证明，在人体内部实施此类系统更具挑战性。实际上，为了完成体内的任务，需要从外部控制系统，并且系统收集的信息（例如诊断数据）应易于传达给外部世界。

施密特解释说：“要使微型机器人系统在人体中发挥作用，它应包含电能，传感器，致动器，天线和微电子电路。我们最近工作的主要目标是朝着这个最终目标迈出一大步；当然，是以简化的方式。”

Schmidt和他的同事通过将微电子元件和纳米电子元件集成在芯片表面上来制造其灵活的微系统，其方式类似于使用硅技术构建计算机芯片的方式。但是，它们的系统与常规计算机芯片之间的主要区别在于，前者的设计包括使用大约20年前采用的方法制造的喷气发动机，这种方法通常不用于主流微电子技术的开发中。
 

施密特说：“诀窍在于将应变极高的薄材料放在芯片上，当它们从芯片表面分层时，它们会迅速回卷成瑞士卷微管结构。这个程序可以很好地控制，以便使卷起的微管在微机器人系统的相对两侧牢固连接。如果这些微管内部涂有铂，一旦铂进入，催化反应就会产生氧气气泡接触含有少量过氧化氢（H 2 O 2）的水溶液。”

由于施密特和他的同事使用的非常规设计策略，当将微型机器人系统放置在含有过氧化氢(H2O2)的水溶液中时，溶液进入其两个微管，产生氧泡。然后，这些气泡被推到微管末端的外面，通过一种称为射流推进的机制加速系统。

施密特说：“这种喷气推进原理是我们小组在12年前提出的。但是，像我们目前的工作中那样的双喷气发动机以前从未被制造过。”

研究人员的喷气推进策略的核心催化反应可以通过改变喷气发动机的温度来控制。高温产生更多的气泡和更强的推力。低温则气泡少、推力弱。

Schmidt和他的同事通过施加流经连接到发动机的电阻性元件的电流来控制两个喷气发动机之一的温度。温度的变化增加了其中一个喷气发动机中产生的气泡的数量和随后的推力，这又使系统可以向右或向左转。

施密特说：“您可能会问自己，我们如何提供加热电阻元件的电流。为此，我们在微型系统中集成了一个微小的天线，该天线可以从外部通过无线能量馈电（类似于您手机的无线感应充电）。因此，船上可以使用电能，这是全新的这么小的自走式微型机器人。”

施密特和他的同事开发的微型机器人也有一个小手臂，可以抓住并释放周围的小物体。当系统温度变化时，小臂会执行不同的动作，弯腰抓住物体，或者弯腰释放物体。

施密特说：“这种集成的机械臂对于自推式微系统也是全新的功能。最后，微型机器人可以在板上安装一个微小的红外LED，该红外LED可以通过无线传输的能量来打开。该LED可能对跟踪体内的微型机器人很有用。在移动微型机器人上打开和关闭微型LED从未之前显示过。”

施密特及其团队开发的微型机器人系统是由高度灵活的材料制成的。这意味着它可以弯曲或变形而不会损坏，因此它甚至可以穿过人体中的毛细血管或其他小通道，并继续正常运行。

将来，这个新系统可能会具有更多有价值的应用场景。例如，它可以完成需要高精度的人体内部任务，包括外科手术或诊断程序。

施密特说：“我们已经证明，电能可以无线传输到超小型微型机器人系统，并且该电能可以用于执行有用的任务：远程操纵微型机器人或打开和关闭红外LED。下一步工作是在血液等生物流体中运行该系统。因此，发动机的构造需要略有不同。”