研究人员打造出靠超声波驱动的微型机器人
苏黎世联邦理工学院的研究人员开发出一种微型机器人，它模仿海星幼虫的运动方式。该机器人由声波驱动，并装有微小的纤毛，像其天然原型一样引导周围的液体流动。未来，这类微型游动装置有望以极高的精度将药物输送到病变细胞。
微型机器人早已吸引了众多研究人员的关注。这类技术最终可能带来许多应用，其中包括医疗保健领域的多项实用功能。人们经常提及的例子有靶向药物递送和微创手术。
移动性是此类技术面临的最大问题之一。具体而言，机器人专家如何让微小装置在没有电池和其他车载技术的情况下运动。磁铁是较为常见的方案，但苏黎世联邦理工学院的团队正在研究一种截然不同的解决方案——超声波。
研究人员利用光刻技术制造出尺寸小于人类头发丝的机器人。它们表面覆盖着模仿海星幼虫表面纤毛的合成纤毛。在生物实例中，这些超薄的毛发状结构搅动周围的水，形成特定图案的小涡流，推动海星幼虫穿过液体。实际上，该系统既能推出水流，也能将水吸入。
“乍看之下，微型机器人与海星幼虫并不十分相似。海星幼虫处于幼虫阶段时，其叶状身体的直径仅有几毫米。而微型机器人是一个长方体，直径只有它的十分之一，即仅四分之一毫米。但它们有一个重要的共同特征：表面排列着一系列细小的可动纤毛，即所谓的纤毛”，研究人员表示。
这些纤毛是研究人员新开发的微型机器人设计的关键要素，该机器人由苏黎世联邦理工学院的研究团队研发，负责人是声学机器人学教授丹尼尔·艾哈迈德，他的研究方向为生命科学与医疗领域。“我们最初只想验证，能否借助排列成行、彼此倾斜或朝向不同方向的纤毛，产生类似海星幼虫的涡流”，艾哈迈德表示。
“海星幼虫表面覆盖着数十万根这样的毛发。它们成排排列，协调地前后摆动，在周围的水中形成涡流。两排纤毛的相对方向决定了最终效果：两排摆动带相互倾斜时，会形成推动效应的涡流，推动幼虫前进。反之，若两排摆动带相互偏离，则形成吸入液体并捕获幼虫所摄取颗粒的涡流”，苏黎世联邦理工学院的研究人员指出。
研究团队称，他们已成功使用超声波在微型机器人中产生类似的推动力，使其能够沿直线游动。研究人员提供的照片和视频中，机器人周围可见的物体是加入水中的塑料微珠，用于展示水流在机器人周围的流动情况。
在实验室中，研究人员证明微型机器人可以在水等液体中沿直线游动。向水中加入微小的塑料珠，使涡流得以显现。结果令人惊叹：海星幼虫与这些装置产生的水流模式几乎完全相同。
随后，研究人员调整了纤毛束的排列，使吸入涡流紧邻推动涡流，模仿海星幼虫的摄食方式。这种布局使机器人能够收集颗粒，并将其沿指定方向输送。
艾哈迈德确信，这种新型微型机器人将在可预见的未来达到医疗应用水平。原因在于，仅依靠超声波的系统具有决定性优势：超声波已被广泛用于成像，能够深入人体，并且不会危害健康。
“我们的愿景是利用超声波实现运动、成像和药物递送”
该疗法只需一台超声设备，因此成本低廉，既适用于发达国家，也适用于发展中国家。
在此类应用中，药物递送是讨论最广泛的用途，特别是能够将药物直接送至特定部位，例如胃部肿瘤。这有望提高药物的使用效率，并降低潜在副作用。而普通药物通过扩散方式传播，效率较低。
“但在实现这一愿景之前，还有一个严峻挑战需要克服，即成像。要将微型机器人引导至正确位置，必须能够实时生成清晰的图像。研究人员计划通过添加造影剂使微型机器人更加醒目，这类造影剂已用于超声医学成像”，研究人员表示。
除医疗应用外，艾哈迈德还认为，这一受海星启发的设计在科研和工业中操控极少量液体方面也将具有重要意义。纤毛摆动带可完成混合、泵送和捕获颗粒等任务。
