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        作者:張晴丹 來源:科學網微信公眾號 發布時間:2022/6/26 21:00:17
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        人體內“快遞員”登Nature子刊!博后一作即將回國任教985高校

         

        文 | 《中國科學報》記者 張晴丹

        哪里需要送哪里,人體內也可以有精準送藥的“快遞員”了!

        它是一款豌豆大小的機器人。

        相關論文于6月15日發表在Nature子刊Nature Communications上,第一作者是美國斯坦福大學機械工程系博士后迮棄疾。他即將在今年下半年回國在西安交通大學任教。

        “功能最強大的微型機器人”

        “我們都覺得這個機器是我們開發的過功能最強大的微型機器人,希望未來可以應用到人體內。”迮棄疾告訴《中國科學報》。

        它是一個無線操控的水陸兩棲折紙機器人,通過旋轉和折疊功能,可以在復雜地形快速前行,并在液體中自由游動,不僅可以按需釋放液體藥物,還能主動吸取物體運出體外。

        這個機器人的想法最早起源于2020年。在迮棄疾與導師趙芮可的一次常規討論時,趙芮可提出,“我們用Kresling折紙結構設計了機械臂和陸地上的爬行機器人,有沒有可能讓它能在水里游呢?Kresling的幾何形態具有和螺旋槳類似的結構,如果我們能利用磁場讓它高速旋轉,那么是否可以在水中產生推進力?”

        Kresling折紙機器人的類螺旋槳結構。 受訪者供圖

        經過第一次的嘗試,機器人確實在水中旋轉過程中向前移動。然而,此時的機器人只能在狹窄的水域游動,應用范圍比較局限。為了克服這個缺點,在組會上,大家討論熱烈,之后在機理方面進行了深入研究,最終發現機器人的密度會對運動性能產生極大的影響。

        “我們花了大量時間嘗試不同的設計和小型化,讓機器人在水里能產生理想的推進力。同時為了豐富機器人的功能和擴展應用場景,我們探索了在多種環境里的運動,比如陸地、水里及高粘性表面等模擬的人體內環境。不斷設計優化,最終實現了運動環境不受限制。”論文通訊作者、美國斯坦福大學助理教授趙芮可告訴《中國科學報》。

        同時,考慮到人體環境的狹窄,機器人尺寸被大幅縮小,文章中機器人直徑7.8毫米,只有豌豆大小,小于常規膠囊。在文章發表后,他們又進一步將機器人直徑縮小至2毫米——只有圓糯米大小,未來希望可以在血管中得到應用。

        有了自由運動的微型機器人,還需要賦予它實現任務的能力。折紙結構固有的變形特性這時候就發揮了作用。當施加周期變化的磁場時,機器人可以循環收縮展開,觸發內部的放藥機制,配合機器人的運動能力,即可實現定向定量的送藥。

        除此之外,通過在機器人不同部位引入開孔,在高速旋轉時,機器人內部可以產生一個負壓區域。該機制不但可以用于提高機器人游動的速度,還可以被用于主動吸取物體。

        經過接近兩年的“打磨”,團隊對機器人的功能性和極強的環境適應能力非常滿意。在經過多輪的修改完善后,文章在今年3月份投稿Nature Communications,兩個月左右就被順利接收。

        審稿人也認為這款機器人的設計非常巧妙,機器人機構簡單,但可以實現極為復雜的功能。論文發表當天,Nature將該成果作為研究亮點(Research Highlights)進行了報道。

        趙芮可團隊:左一趙芮可,右一迮棄疾。 受訪者供圖

        “感覺自己是在冒險”:跨學科的探索

        迮棄疾在趙芮可團隊從事博士后研究已有4年?;叵氘敵踹x擇加入這個團隊的時候,他感慨自己“很有勇氣”。

        迮棄疾本碩博都在國內完成,學的電氣工程與自動化,研究的都是電機、電磁控制等。而趙芮可團隊主要做力學、機械以及智能材料方面的研究。兩者是完全不一樣的學科背景。

        “趙老師給我分析了電磁控制在智能材料和軟體機器人領域的廣闊前景,然而在考慮是否加入她的團隊時,我內心糾結了很久,畢竟學科跨度太大了,要在完全不熟悉的領域開辟新天地,一切談何容易。”迮棄疾說。

        在趙芮可眼里,迮棄疾是一個對科研有很高的熱情、會繼續走學術道路的人,“他自身有很多強項。”

        “我感覺自己當時確實挺冒險的,不過既然老師敢招我,那我也敢去。那時候我就想,人生能有幾回搏,大不了失敗了回家賣紅薯!”

        團隊的一個主要研究方向是微型機器人研究,并希望在生命醫療領域有所應用。

        靶向給藥是目前醫學界非常關注的研究,任何疾病都迫切需要實現這一技術。原因很簡單,平??诜?,藥物會在人體內被稀釋,真正需要藥物治療的地方只能分到一點點,使藥效大打折扣。

        想在人體內派送一個精準送藥機器人,就得把尺寸做到很小。在趙芮可看來,尺寸越小越好,這樣在人體內能去的地方就更多,能執行的任務也更多樣化。

        在此目標之下,就意味著要去掉傳統機器人身上的各類電子器件,同時有線的驅動方式也會對人體內的應用產生諸多限制,而磁場由于無線操控的特點就成為了理想的選項。于是,迮棄疾擅長的電磁控制研究就派上了用場。

        他們研究出的機器人十分靈巧,完全用磁驅動來控制機器人旋轉以及收縮:旋轉可以實現所有的運動功能,并達到水陸兩棲的效果,去到任何想去的地方;收縮是通過折紙結構的可折疊性,賦予機器人給藥功能,在指定的地方釋放藥物。

        在磁場的控制下,這些機器人“快遞員”前行速度非???,即使在液體里游行,也能達到每秒10厘米以上。而且中途不會遺失藥物,可將其安全快捷地送到指定位置。

        豌豆大小的機器人能在復雜的人體環境中靈活行動,并精準給藥。 受訪者供圖

        將來,它還可以在體內安裝微型相機,用于內窺鏡檢查和活檢等,甚至還能幫助清除復雜血管系統中的血塊,以輔助治療中風或心臟病。

        從很后悔、不甘心,到對未來充滿期待

        從本科一路走到現在,迮棄疾心中有太多感慨。

        “上大學的時候有些許懈怠,早期并沒有全身心投入學習。保送碩博連讀后,雖然對科研很感興趣,也主動參加機器人比賽,但因為缺乏緊迫感,一直沒有全身心地投入科研當中。”

        在經歷了一段時間的消沉后,迮棄疾逐漸意識到這種狀態非常危險。于是,他開始重新審視自己,強迫自己集中精力做研究,并調整生活狀態,主動找導師定期匯報工作、討論科研方向,讓一切重新步入正軌。

        雖然做出了改變,但迮棄疾心里還是糾結,自己“太晚悟到一些道理,浪費了很多時間,感到很遺憾。”

        “2018年博士畢業后,我有一些不甘心,想知道自己是不是還有潛力沒有發揮出來。所以我想出國做博士后,到全新的前沿研究陣地‘長見識’,汲取新知識,積累更多的成果。”迮棄疾說。

        初到趙芮可團隊時,迮棄疾在科研工作上遭遇了“水土不服”。美國的教育風格、科研環境完全不同,再加上跨學科的難度,他要調整以前做研究的習慣、思維模式,適應過程比較痛苦。

        與家人相隔萬里,幾乎每天都過著實驗室和宿舍的兩點一線生活,科研工作的繁忙讓迮棄疾無暇顧及其他。

        他能一路堅持下來,離不開妻子這個堅強的后盾。“我很感謝她的支持與理解,異地戀都很困難,何況我們還是異國。她是我碩士時期的同學,無論是生活中還是工作中都有很多共同話題,她也非常理解我的工作性質,所以我們不曾發生爭吵,還經常在情緒低落時互相打氣。”迮棄疾說。

        說到這里,迮棄疾還另外感謝了同實驗室的博士生吳帥,他也是這篇論文的共同一作。除了科研上的互幫互助,在生活上,他們也是最緊密的伙伴。

        4月1日發表的成果被選為Science Advances封面論文

        4年披星戴月搞科研,也取得了令自己滿意的成果。僅是今年,迮棄疾作為一作就已發了兩篇論文。除了前文提及的這篇,另外一篇在4月1日以封面論文的形式發表在Science Advances上,報道的是一款折紙結構的爬行機器人。

        “雖然前期經歷了很多的波折,但好在結果還不錯,感覺自己的努力也算是沒有白費?,F在想想雖然走過了很多彎路,但是一切經歷都有獨特的意義。很多事情順其自然就挺好,不用給自己太大的精神壓力。”迮棄疾說道,現在他最期待的事情就是回國和家人團聚,未來他也希望可以做出可以真正應用在醫療上的機器人。

        論文鏈接:

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

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

         
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