主要观点总结
本文介绍了一种微型远程可控磁性粘附机器人在生物医学领域的应用前景，特别是其在微创医疗领域的应用，包括疾病诊断、治疗和手术等。该机器人采用由磁流变弹性体（MREs）制成的机械结构，通过外部磁场控制实现粘附控制。作者展示了该粘附机器人的远程操作，包括在柔软湿润器官中的稳定运输，拧下螺母以及辅助小鼠肿瘤切除手术等。文章还介绍了MRE粘附控制的优化，包括材料建模和设计策略，以解决脆弱物体的变形或损坏问题以及微型机器人低力限制的问题。最后，作者将MRE粘附剂与微型机器人集成，实现了对多种物体的灵活操作，并在体内实验中验证了其在肿瘤切除手术中的能力。
关键观点总结
关键观点1: 微型远程可控磁性粘附机器人在生物医学工程中的应用前景。
该机器人能够实现对各种目标表面的精细粘附控制，包括在疾病诊断、治疗和手术等方面的应用。
关键观点2: 磁流变弹性体（MREs）在机器人粘附控制中的应用。
MREs通过外部磁场控制的快速刚度变化展现出精确的粘附控制，具有稳定性和可重复性。MREs的机械结构增强了这一方法的有效性。
关键观点3: MRE粘附控制的优化策略。
作者提出了一种材料建模和设计策略，以优化由于磁场导致的弹性模量和表面能量转换对粘附力的控制。此外，通过简单的复合材料混合过程解决了CIP团聚的问题，确保了适当的分散和最小的孔隙度。
关键观点4: 微型粘附机器人在实际抓取应用中的表现。
微型机器人展示了操作各种物体，包括湿润柔软的豆腐、生肝样本、鲑鱼卵和软奶酪等的能力。此外，它还能牢固地抓住螺栓上的螺母，并响应旋转磁场产生旋转扭矩以卸下螺母。
关键观点5: 微型粘附机器人在体内实验中的应用。
微型机器人在体内实验中成功应用于小鼠肿瘤切除手术，展示了其作为细胞抓取器在体内进行手术的可能性。这种机器人具有精确、温和、非侵入性的分离/附着能力，可以牢固地抓取和移动体细胞，而不损害生物系统。
正文
具有远程控制和先进移动能力的微型移动机器人在微创医疗领域颇具前景，包括疾病诊断、治疗、触发和局部药物输送以及手术。考虑到远程控制微型软机器人的特性和操作环境，实现对各种目标表面的精细粘附控制是一个重大挑战。特别是，能够在低预载的情况下精细抓取皱褶和柔软的生物及非生物表面而不造成损害是至关重要的。近期，德国马普智能系统研究所Metin Sitti院士团队和韩国高丽大学Sungwoo Chun博士合作开发了一种丝绒虫（外形似“毛毛虫”）启发的远程可控磁性粘附机器人，该机器人采用了由磁流变弹性体（MREs）制成的机械结构。MREs通过外部磁场控制的快速刚度变化展现出精确的粘附控制，具有稳定性和可重复性。该粘附方法涉及控制软态粘附，保持较大的接触面积，并增强弹性模量，而机械结构增强了这一方法的有效性。作者演示了粘附机器人的远程操作，包括在柔软湿润器官中的稳定运输，从螺栓上拧下螺母，以及支持小鼠肿瘤切除手术。该软粘附机器人在生物医学工程中具有潜在的应用前景，特别是在针对小型生物组织和生物体方面。该工作以题为“Stiffness-tunable velvet worm–inspired soft adhesive robot”的论文发表在最新一期《Science Advances》上。MREs由磁性微/纳米粒子的三维网络和弹性体基质组成，其中聚合物链的移动性在强磁场下粒子间磁力增加时受到限制，从而增强了弹性体的刚度，如图1B所示。这种材料可以用来抓取具有不同表面粗糙度和刚度的物体，跨越多个长度尺度，并通过基于远程磁场的触发轻松在开启/关闭状态之间切换。此外，提出了一种材料建模和设计策略，以优化由于磁场导致的弹性模量和表面能量转换对粘附力的控制。外部磁场用于控制刚度状态，可在猪组织复制品上实现稳定的抓取（约2.93 N/cm2）。基于MRE的蘑菇形三维结构扩大了可能抓取物体的范围，并有效地减少了所需的预载（约0.5 N/cm2），解决了脆弱物体的变形或损坏问题以及微型机器人低力限制（图1C）。最后，作者展示了实际抓取应用，如精确稳定地抓取和运输各种脆弱物体，包括软豆腐、湿鲑鱼卵和滑湿器官（图1D），并使用所提出的微型粘附机器人协助小鼠肿瘤的切除手术（图1E）。磁触发MRE作为一种粘附材料在抓取器中脱颖而出，这是因为其异常的磁响应性。该MRE的材料设计策略旨在使其作为粘附机器人的粘附材料具有合适的磁响应性、表面能、时间依赖行为和可重复性。传统上，使用具有高磁导率的高软磁性材料作为填料，以提高MRE的磁响应性。另一方面，当使用高度弹性聚合物，如聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为基体时，初始的高模量显著降低了磁响应性，这是由于初始弹性导致磁性微粒子的影响较低。因此，MRE复合材料是使用软磁性颗粒构建的。此外，通过简单的复合材料混合过程解决了CIP团聚的问题，确保了适当的分散和最小的孔隙度，这一点通过扫描电子显微镜（SEM）得到了证实（图2A）。MRE还表现出各向异性特性，其中MR性能根据内部CIP的排列而变化。在外部磁场触发的磁通量决定了基体固化前粒子在基体内的排列方向。因此，基体固化过程中CIP的单轴排列增强了MRE的各向异性磁响应（图2B）。填料加载浓度是根据填料在此复合材料内部结构形成的基础上设计的，以优化粘附控制性能。特别是弹性模量和表面能变化在粘附中起到了关键作用。如图2C所示，随着CIP比例的增加，MRE的磁矩变化变得更加显著。相应地，在显著的磁场变化下，更高的填料组成比例导致拉伸模量（以及影响剪切粘附的剪切模量）的变化增加，如图2D、E所示。根据实验结果，材料粘附变化最高的临界质量分数为比例（300 wt %）（图2G）。在MRE中模量转变所需的时间<60 ms，验证了其作为快速精确抓取材料的适用性，如图2H所示。此外，作者通过在重复磁场条件下（1000次）检验机械转换率和表面能的变化，验证了抓取材料的耐用性（图2I）。图1. 生物启发的粘附控制柔性微机器人及其粘附机理和应用。作者研究了使用3D结构化MRE和各种组成比例对具有不同表面粗糙度和刚度的物体进行粘附控制的详细分析。图3A显示了由于磁场和基材的变化，各种组成比例的MRE产生的粘附力。使用MRE进行的粘附控制方法（MR粘附过程）如下所述。（i）在没有外部磁场的情况下，处于可塑状态的MRE粘附剂以足够的预载力粘附到目标上，确保与物体有较大的接触面积（A0）。（ii）在此状态下，随着外部磁场的增加，粒子间力限制了聚合物的恢复力，在保持较大的A0同时，MRE的模量增加，产生了更高的粘附强度。对于晶圆，由于预载前后的接触面积相对恒定，因此随着外部磁场的增加，粘附力的提高仅受模量增加的影响。尽管增加填料浓度会使粘附力的增加变得明显，但由于表面能的降低，这种趋势会饱和。然而，在粗糙表面上，在粘附的预载过程中，MRE沿着皱纹发生变形，这改变了聚合物的恢复力和初始接触面积。在这个过程中，由磁场驱动的CIPs的吸引力增加限制了聚合物的恢复力，通过提高弹性模量防止粘附力改变接触面积。与晶圆基板的情况不同，在这种情况下，300 wt%的MRE显示出最高的粘附力和粘附变化率，在初始模量依赖的接触面积方面显示出明显的差异，同时明显限制了聚合物的恢复（图3B）。与之前的MR研究不同，作者使用MRE的研究在理论方法和验证方面具有优势。进行了基于有限元分析（FEM）的数值模拟和方程，以比较弹性体的恢复力（Fr）和粒子间吸引力（Fa），以全面了解MRE粘附控制过程，还包括接触面积（A）、弹性模量（E）和粘附力（FN）。图3C和D显示了在不同磁场下和粒子间距下MRE中单个粒子的吸引力向量及其大小。随着这种MR效应，粘附剂的3D结构增加了抓取器对目标物体柔软和皱褶表面的适用性。首先，考虑到微型机器人的力量较低，这种3D结构减少了与有效弹性相关的有效弹性模量，由于低预载力，增加了MR粘附过程的效率。在单轴对齐填料的同时，使用微模制技术和印花工艺将MRE结构成3D蘑菇形状（图4A）。考虑到其柱状几何设计，蘑菇形状的结构影响了剪切粘附和有效刚度，其带有尖端的分级结构产生强大的范德华力，作为与粗糙表面稳定接触的来源（图4B）。因此，平面结构限制了它们流变性质的有效性，因为当应用于粗糙表面，如树皮或猪皮时，它们会表现出强烈的机械阻力，如图4C所示，不同预载下的粘附力变化很大。特别是，在低预载下MR效应较低，但在粗糙表面，如树皮上，效果更为有限。另一方面，蘑菇结构的粘附剂即使在低预载（1.5 N/cm2）的粗糙表面上也能确保有效的MR效应，即使在非常不规则的表面上也能提供坚固的粘附性能（磁场关闭：1.35 N/cm2，磁场开启：2.93 N/cm2），并有效地控制粘附。通过比较在移除预载时由磁场维持的接触表面积有无3D结构的情况，可以明显确认粘附力的改善。其次，MR过程的一个关键点是，与粘附剂相比，它在抓取较软材料方面存在局限性。当基材（而非MRE）由于预载而变形时，CIPs的吸引力仅增加了MRE的模量，但并未限制基材的恢复力。最终，MRE持续较高的初始模量限制了抓取较软材料的能力，这可以通过使用3D结构来解决。精密制造的3D结构有效地减少了MRE的有效模量，使得在相同的预载条件下，粘附剂而非基材发生变形。这表明3D结构可以有效地控制MR粘附过程，以抓取较软的材料。通过测量不同弹性模量的粗糙表面上平面和蘑菇形状粘附剂的粘附力，验证了3D结构对柔软和皱褶目标的显著效率（图4C和D，图4E）。
将MRE粘附剂与一个软体微型机器人集成在一起，该机器人通过磁力控制进行导航，从而实现对各种物体的灵活操作。如图5A所示，MRE粘附剂的粘附控制能力通过仅使用MRE粘附剂而不借助编程机器人操作（抓取、提升和运输）湿润、柔软的豆腐得到了确认。将编程机器人与这种MRE粘附剂集成，并设计机器人的运动限制在与物体形状相似的水平上，最大外部磁场为100 mT，如图5B所示。图5C展示了远程机器人操作和抓取湿润柔软的生肝样本，这是需要在生物系统中操作的最终目标之一。机器人即使在柔软光滑的生物组织上也显示出强大的粘附力，并且在外部磁场响应过程中的粘附力通过理论模型进行了估计（图5C iii）。此外，微型机器人还展示了操作如光滑湿润的鲑鱼卵和软奶酪等多样物体的能力（图5D和E）。除了简单的抓取和搬运，机器人还能牢固地抓住螺栓上的螺母，并响应与z轴垂直的旋转磁场产生旋转扭矩以卸下螺母（图5F）。
图6展示了体内实验，验证了在远程切除手术过程中使用粘附控制作为关键工具的能力，以及带有MRE粘附贴片的磁编程软体机器人的运动（图6A）。肿瘤切除是消除肿瘤的关键手段，但是当有线工具无法到达位置时，手术就会遇到困难。此外，肿瘤细胞由于其极其柔软和皱褶的表面特性，直径大约为3到7毫米，难以在不造成损伤的情况下实现抓取。粘附机器人克服了这些限制，实现了平滑且精确的粘附，适合于抓取肿瘤进行切除。图6B展示了机器人特定肿瘤抓取和切割过程的简化示意图。图6C展示了使用MRE粘附机器人远程移除植入小鼠腿部的肿瘤的顺序过程，表明其适合体内应用。在这个过程中，由粘附力控制的机器人运动和抓取是自由的，允许仅在所需目标上进行精确抓取，因此，粘附机器人可以精确抓取和提升肿瘤细胞，只移除需要切割的部分。此外，通过将配备不可切换粘附剂（纯PDMS和纯Ecoflex）的机器人进行的手术进度（图6D和E）与切口面积以及小鼠体重变化（图6F）进行比较，突出了具有精确远程手术能力的可切换粘附剂的重要性。因此，使用基于磁力的远程粘附切换进行小鼠肿瘤消融实验表明，有可能通过精确、温和、非侵入性的分离/附着，牢固地抓取和移动体细胞，而不损害生物系统。由于材料和空间限制，以前的抓取器难以制造，使得它们不适合应用于体内等小型环境。图6中的所有演示和结果都表明，粘附机器人有可能作为细胞抓取器在体内进行手术，开启了在有线设备难以进入的难以接触的内部空间进行远程手术的可能性。
图6. 粘性机器人在小鼠身上进行皮肤肿瘤切除手术的体内演示。该工作开发并测试了一种微型的、磁可编程的粘附器，其灵感来源于一种能够改变其分泌物机械性能的生物体。这种软粘附器以3D结构制造，能够通过可变刚度控制抓握力（单材料组分的模量范围从0.477到2.03 MPa），通过低预压力在多种表面上实现细腻而牢固的抓握。与开发的粘附器集成的远程控制的软微型机器人可以自由移动，并通过控制不伤害活组织的磁场来远程控制粘附，从而快速控制附着。最后，这种粘附机器人可以应用于远程肿瘤切除手术，具有即使在严重皱褶的生物细胞表面上也能提高顺应性接触的能力。文章链接:
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adp8260声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！
