用于纖維功能化的浮動磁性微型機器人

微創(chuàng)外科手術(shù)越來越多地用于靶向小病變，并且對微型醫(yī)療工具的需求不斷增長。這些包括微導(dǎo)管，鉸接的微型鑷子或鑷子，用于在精密手術(shù)中進行感應(yīng)和促動?；瘜W(xué)和物理傳感器的準確集成和功能化仍然是主要挑戰(zhàn)。在一項關(guān)于科學(xué)機器人的新研究中，中國醫(yī)療機器人研究所和倫敦哈林機器人手術(shù)中心的Antoine Barbot及其同事開發(fā)了一種新型的微機器人平臺，以對140至830微米(µm)的纖維進行功能化。然后，他們使用濕轉(zhuǎn)移工藝將2 mm x 3 mm和200 µm厚的微型機器人對準纖維上的浮動電子電路。

科學(xué)家使用永磁體控制微型機器人在空氣-水界面處的位置和方向。他們利用磁體的非均勻磁場控制了兩個微型機器人之間的精確距離，并通過浮動電子圖案促進了“抓取和釋放”的操縱。Barbot等。他提出了這種控制過程的模型，包括微機器人通過表面張力的相互作用，以進行詳細的性能驗證。他們演示了在直徑200 µm的光纖和3-D設(shè)備上的各種示例傳感器實施例。

臨床上對改善醫(yī)療監(jiān)視和診斷的重視使外科手術(shù)的未來轉(zhuǎn)向了精確干預(yù)。最近在纖維上形成機械手的機器人工具的引入使研究人員能夠在單根纖維內(nèi)結(jié)合成像，傳感和顯微操作?？梢允褂秒p光子聚合將精密的微夾具直接設(shè)計在纖維的尖端上。研究人員可以使用利用微毛細管功能的液壓連桿來建立微致動，以將該設(shè)備用于靶向藥物輸送和聚焦能量(例如激光消融)。光纖是開發(fā)靈活的微型工具的通用基材。它們的表面提供了理想的位置，可以沿其長度包括多個傳感器。

頂部：具有不同首選磁化方向的浮動微型機器人：制造和控制原理。(A)微型機器人的制造。使用環(huán)形磁體在材料中編程了不同的磁化方向。(二)在本研究中使用的夾緊機制。微型機器人根據(jù)磁體的垂直位置一起移動或分開移動，從而可以有效地夾緊要轉(zhuǎn)印的圖案，然后進行旋轉(zhuǎn)和方向控制。底部：PDMS矩陣內(nèi)部的鐵線方向。(A)聚合物/鐵混合物的Micro-CT重建。在聚合物固化過程中，鐵線與磁場方向?qū)R。(B)鐵線方向與位置。鐵線的方向遵循固化磁場的方向。圖片來源：Science Robotics，doi：10.1126 / scirobotics。

然而，將微電子器件直接圖案化到用于臨床應(yīng)用的彎曲小物體上是具有挑戰(zhàn)性的，因為現(xiàn)有的微加工工藝主要是針對平面基板而設(shè)計的。迄今為止，研究人員使用了兩種主要的傳輸方法：包括干轉(zhuǎn)移和濕轉(zhuǎn)移技術(shù)。由于沒有濕蝕刻劑和流體干擾，與濕轉(zhuǎn)移相比，干轉(zhuǎn)移通常提供更好的清潔度和更高的精度。在外科手術(shù)中可能發(fā)生的濕轉(zhuǎn)移技術(shù)受到精確定位和ing起漂浮裝置的困難的限制。這是由于缺少用于精確實際方法的精密工具或機器人平臺。因此，微型機器人操縱器可以解決手動濕轉(zhuǎn)移方法面臨的一些主要問題。

在目前的工作中，Barbot等人。提出在空氣/水界面使用移動微型機器人來精確控制濕轉(zhuǎn)印期間的圖案運動。為了促進簡單和精確的控制，科學(xué)家提議開發(fā)一對微型機器人來掌握浮動模式。他們使用單個永磁體產(chǎn)生的磁場來實現(xiàn)此目的，該永磁體被耦合以調(diào)整機器人組成材料的磁化方向。Barbot等。利用微型機器人和磁場之間的相互作用將微型機器人對定位在空氣/水界面的兩個不同位置，并形成抓取器。

基于微型機器人的模式抓取和操縱。圖片來源：Science Robotics，doi：10.1126 / scirobotics.aax8336

研究人員通過控制設(shè)備與磁鐵之間的距離來控制兩個微型機器人之間的距離。他們使用彈性體和聚二甲基硅氧烷(PDMS)混合鐵粉來構(gòu)造設(shè)備。對于給定的實驗，Barbot等人。使每個微型機器人磁化，以對給定磁場做出類似反應(yīng)。科學(xué)家在弱磁場的影響下使用了200 µm的PDMS和鐵混合物層，將鐵線組裝到PDMS矩陣中。他們對PDMS進行了熱固化，以使鐵線結(jié)構(gòu)保持在適當?shù)奈恢?，并使用X射線顯微斷層照相術(shù)評估了產(chǎn)品的方向。

科學(xué)家利用鐵/ PDMS層的不同部分開發(fā)了具有自定義磁化方向的微型機器人，從而形成了厚度為200mm的尺寸為2mm x 3mm的矩形機器人。他們在微型機器人上增加了小的牙齒狀結(jié)構(gòu)，以限制抓握過程中圖案的運動。該團隊觀察了不同微型機器人對的位置以及它們對磁體不同垂直位置的響應(yīng)，以獲得微型機器人對的兩個運動模式，具體取決于它們的磁化強度與水平面之間的角度(α)。

Barbot等。設(shè)計了微型機器人，并允許磁鐵的高度控制兩個機器人之間的距離，并調(diào)節(jié)微型機器人抓爪的打開和關(guān)閉?？茖W(xué)家將實驗結(jié)果與模擬進行了比較，以了解微型機器人之間的相互作用。他們觀察到四個自由度(DOF)來控制微型機器人對。其中包括濕轉(zhuǎn)移過程中的抓握(一個自由度)，定位(兩個自由度)和方向(一個自由度)?？茖W(xué)家使用這四個可控制的輸入來操縱浮動模式。他們將鐵/ PDMS混合物的磁化特性表征為一致的微型機器人設(shè)計的一般指南。

該團隊優(yōu)化了擬議的微型機器人輔助濕傳輸方法，以設(shè)計各種設(shè)備。他們通過將具有圖案的纖維轉(zhuǎn)移到印刷電路板上來形成電子設(shè)備，并使用25 µm的金線實現(xiàn)了電連接。他們形成了這種電化學(xué)傳感器，可用于微導(dǎo)管中和其他可植入設(shè)備?？茖W(xué)家還展示了使用幾層不同材料的制造技術(shù)，以在直徑200 µm的玻璃纖維上形成一個兩端石墨烯器件。他們選擇石墨烯是因為該材料具有獨特的電極特性。他們使用該方法將有源機電設(shè)備集成到3-D基板上，然后在復(fù)雜的3-D結(jié)構(gòu)上進行構(gòu)圖。例如，他們在170 µm玻璃毛細管纖維尖端微型工具(使用雙光子光刻技術(shù)制造)上轉(zhuǎn)移了Au圖案。這項工作將為使用混合微細加工技術(shù)在微觀規(guī)模上設(shè)計復(fù)雜的機電設(shè)備鋪平道路，該技術(shù)在精確的臨床生物標志物檢測和精確手術(shù)中具有廣泛的應(yīng)用。

這樣，Antoine Barbot和一組跨學(xué)科的研究人員提出了一種實用的解決方案，可以將微米級精度的薄膜和2-D晶體濕轉(zhuǎn)移到3-D基板上。他們開發(fā)了一種浮動磁微型機器人，該機器人能夠存儲首選的磁化方向，以便在永久磁場下對其進行操縱。研究團隊通過調(diào)整磁體的位置來微調(diào)機器人微型抓爪，以抓取，對齊和釋放浮動的二維圖案。

提議的設(shè)置簡單，可重復(fù)且可靠。新的制造技術(shù)將為介入手術(shù)中的電化學(xué)傳感器，微致動器和復(fù)雜的二維電子設(shè)備打開新的應(yīng)用領(lǐng)域。Barbot等人的未來重點。它將包括基于多層范德華2-D晶體的工程分層設(shè)備，以將活性成分整合到纖維尖端上，并最終形成可驅(qū)動和感應(yīng)能力驅(qū)動的納米級或微米級纖維機器人。