浙大许超团队新成果！ “血管盾构机”毫米级机器人：声音如何隔空赋予动力？

要是将机器人缩小至几毫米, 一开始消失的或许没有机械臂, 反而是‘发动机’。

那个电池, 根本就没有地方可以塞进去, 电机的尺寸, 受到诸多限制, 拖着电线的话, 又特别难以在狭窄环境里能够自由地移动。所以, 微型机器人始终存在着一个特别现实的问题, 那就是身体变得越来越小, 动力究竟从哪里来?

浙江大学的许超团队, 最近给出了一种新的方案, 将动力移交至“声音”。

造出了一枚螺旋机器人, 其长度约为6毫米, 直径是2.5毫米, 他们做到了。该机器人本体既没有电池, 并且也不存在传统电机, 外部所布置的压电换能器产生超声场, 负责为它给予动力以及方向控制, 就是这样。

它能够于管道里朝前进行推进, 以高速进行自旋, 并且能够攀爬越过30°、60°的斜面, 达成90°垂直运动, 进入S形以及Y形复杂通道之后, 还能够拐弯, 选择路径最后, 研究人员将它送进了内径大约为3毫米的离体猪静脉, 它依旧完成了前进以及反向返回。

某种意义上，一台毫米级“血管盾构机”的技术原型出现了。

显微镜下的毫米级螺旋机器人

这简直令人匪夷所思该项研究于近段时间被发表在了其旗下所拥有的期刊《》该篇论文是具备特别标题的其题名为《 - robot: in 》。

浙江大学工业控制技术全国重点实验室、智能系统与控制研究所牵头进行研究, 并联合浙江大学湖州研究院, 以及浙江大学药学院, 还有湖州职业技术学院, 以及湖州师范大学等单位完成此项研究。

01.

没有发动机，“声音”就是发动机

这枚机器人乍看并不复杂。

有一个物体, 它的长度是6毫米, 它的直径处于1.5至2.5毫米之间, 其表面缠绕着螺旋沟槽, 模样好似一枚被缩小的螺丝。然而, 驱动它的装置却在外面。研究人员在水槽四周布置了四块PZT压电换能器, 这四块换能器是可以独立控制的, 它们主要在45到55kHz的范围内进行工作。通过改变不同换能器的激活组合、频率以及相位, 机器人周围的声压和流场也会跟着发生改变。

具体来说，机器人真正跑起来，主要靠两股力量。

第一股是声辐射力（ force）。

声波碰到机器人后, 会出现散射的情况, 还会发生反射, 与此同时, 完成动量传递对机器人而言, 这也就相当于外部声场直接给了它一个能够控制方向的“推力”。

第二股是声流（ ）。

在液体之中, 高频声波持续地振荡着, 一部分声学能量会借助黏性耗散以及边界层效应而转化为稳定的流体运动, 液体顺着机器人的螺旋结构流动, 紧接着便会进而让机器人出现旋转以及推进的情况。

一边推，一边转，螺旋结构再把旋转变成向前运动。

于是, 传统机器人那由“电池—电机—传动”所组成的动力链, 在这儿发生了变化, 具体变成了这样: 最初是体外压电换能器, 进而产生了超声场, 接着由超声场形成了声辐射力以及声流, 最终达成了机器的人旋转和平移。

真正起到关键作用的是, 研究团队借助多物理场仿真以及PIV粒子图像测速实验, 进一步展开探索。当多个PZT一同参与工作之际, 发现声场之间能够形成协同作用, 这种协同作用可明显强化流场。若改变换能器的激活组合、频率以及相位, 便又能够重新塑造声场。

这表明, 要是想使得机器人变换动作, 并非一定要对机器人进行改动, 重新构建外部的声场便可以达成。

02.

不只是往前冲，它开始会“选路”

对于血管机器人来说，速度当然重要，但只有速度远远不够。

真实的血管并非如同一根笔直的玻璃管, 它会出现弯曲的情况, 还会产生分叉现象, 其方向处于不断变化之中。一个仅仅能够沿着直线迅猛前冲的微型机器人哪怕速度再快, 也很难切实发挥出真正的作用。

因此机动性也是迈向生物医学应用的一项重要指标。

这枚螺旋机器人, 在有着不同倾角的微流体通道里, 完成了在水平方向的运动, 完成了在倾斜角度为30°时的运动, 完成了在倾斜角度为60°时的运动, 还完成了在90°那个方向上的垂直推进 , 之后, 把环境变得复杂起来时 , 它又进入了呈S形的通道, 它又进入了呈Y形的通道。

成S形状的通道所考验的是那种连续不断地进行过弯, 能明白。而呈现Y形状的通道, 则是就路线选项方面进行考验, 就是当走到出现岔路的那个路口时, 机器人是必须要做出决定究竟是向左还是向右的, 清楚了。

团队所采用的方法, 依旧未曾给机器人增添舵机, 而是借助半自主路径跟随的形式，去切换置于不同位置的PZT换能器, 再重新调整声场, 借此让推进方向产生变化。实验表明, 机器人能够分别进入Y形通道左右那两条支路。

性能上的跨越同样明显。

相较于公开亮相且属于同一类别的研究范围内、速度约为100μm/s, 达到这样运动速率的情况, 这款处于生物血管环境里的机器人, 其速度达到了约 12mm/s, 大约是公开那组研究里速度的百倍之多；在普通管道之中, 它的速度最高能够抵达100mm/s, 并且自己转动起来接近每分钟达到转动一千转的频次。

更关键的是, 它不再仅仅能够直线行进, 而是达成了平面运动, 实现了倾斜运动, 完成了垂直运动, 做到了转向运动, 达成了往返运动。

由此可见, 声学操控所跨越过去的, 并非仅仅只是速度, 而且还有跨越范围从微米直至毫米的, 以及从“能动”转变为“可控”的尺度门槛。

03.

真正的一关：开进3毫米猪静脉

复杂运动的机器人, 最终并非致力于让机器人于管道之中进行所谓的“秀操作”, 其真正所瞄准的, 乃是血管以内的微操作。

至今, 心血管疾病依旧是全球最为主要的死亡原因当中的一个, 而血栓致使的血管堵塞又成为心肌梗死、缺血性卒中等急症的关键重要诱因。对于毫米级别的机器人来说, 要是在未来能够于体内被进行实时定位并且做到获得精准控制, 那么它就有可能将药物直接送至病灶周边的位置, 甚至还有可能搭载显影、传感或者取样模块, 进而进入更深、更细的分叉血管。

所以, 研究实际所要回应的问题是: 在人工管道中可行, 换到真实血管里还行不行? 鉴于血管并非玻璃管, 它柔软且具弹性, 会吸收并衰减声波, 机器人与血管壁间存在摩擦, 整个声场会因此产生变化。

于是研究人员找来了新鲜离体猪静脉。

对其进行测试时所使用的静脉, 其内径大约是3毫米, 此内径情形下的静脉, 与直径为2.5毫米的机器人相比, 二者已经相当接近。该机器人先是在玻璃管内部向前行进, 行进过程里速度达到了19.1 mm/s；当穿越过玻璃管与血管组织之间的交界面后, 它并没有出现明显的“趴窝”状况, 在静脉当中的速度依旧能够达到17.4±0.5 mm/s, 这个此时速度大约是原速度的91%。在5秒的时长内, 它跨越了长度超过80毫米的玻璃管—血管复合通道。

接下来更像一次真正的“遥控驾驶”。

某物体进入静脉, 之后研究人员将声场方向进行反转, 该物体先减慢速度直至停止, 紧接着掉头朝着相反方向运动, 此物体最高反向速度为9.7±0.5 mm/s, 最后在大概9.5秒的时候回到起点。整个物体双向运动的过程里, 位置控制精度始终保持在±0.3毫米。

这一步的意义比单纯刷新速度更大。

从静态的玻璃管而来, 到柔性的离体猪静脉, 从只可向前行进, 到能够转弯、倒车乃至进行导航作业, 这枚形似鲨鱼卵、游动如大肠杆菌的“声波螺丝”, 正逐步靠近真正的血管环境。

也许在未来, 它并非仅仅是血管里的“快递员”, 还极有可能成为血栓附近的“侦察兵”以及“施工队”, 先是寻到堵点, 接着要把药物送至最急需的地方, 甚至要配合现有的导管和取栓装置达成更精准的局部治疗, 而达成这些, 仅仅凭借我们肉眼看不见的“声音”。

04.

未来与结语

看到这儿呐, 特别容易接着去想象, 随后的那一幕, 有一个高速转动的毫米机器人, 顺着血管到达病灶的地方, 在血栓的附近, 快速地进行自旋, 如同微型的钻头的那般, 最后完成局部治疗的作业。

但这一步，现在还没有发生。

这项研究, 未曾开展血栓破除实验, 也未进入活体动物, 猪静脉测试, 是在离体、静态、无真实血流的状况下达成, 真正进入人体后, 机器人要面对血流冲击、脉动、壁面剪切力以及更繁杂的血液—机器人相互作用。

超声安全同样是又一道门槛, 当前的实验, 并未观察到显著的空化现象, 也没有气泡形成, 或者宏观组织损伤的情况, 然而若要迈向活体, 还得进一步评诂声强, 以及组织衰减, 还有局部温升, 以及长期生物效应, 实时体内成像, 以及闭环导航, 以及材料生物相容性, 也都需要持续解决。

所以, 要更精准地讲, 今日现身的并非一台切实能够“钻血栓”的机器人, 而是一个毫米级“血管盾构机”的机械雏形, 是那种机械方面初步的样子, 标点符号是句号。

但这并不削弱这项工作的意义。

它有着这样的意义, 声学操控从此前的微米级液滴、颗粒以及微型结构, 迈向了一种能在复杂通道里高速运动的毫米级功能机器人, 该机器人还可实现转弯、选路, 并且能够进入真实生物血管环境。

当机器人的尺寸缩减时, 动力以及控制系统不一定非得同步整合到机器人的本体之内, 而是能够由体外的可编程声场加以提供, 进而降低机器人的结构复杂程度, 并且为无缆化、非接触式的驱动供给全新的技术途径。

在下一阶段, 当达成更深层次的微型化以及获取准确的生理性血流验证结果, 并且确保闭环成像环节得以精确控制, 同时完成为期可观且全面到位的系统性安全评估之后, 这么一种平台存在着较大的可能性, 能够为靶向药物递送、血管内病灶位置得以有效精确探测以及血栓辅助治疗等一系列应用, 提供全新的研究支撑基本条件。

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