基于磁场驱动的无线微型软体机器人应用

感知生物组织的生理特性，对于了解组织的发育进程和辅助疾病诊疗具有重要意义。准确地感知人体深处软组织的生理特性，也有助于监测和了解疾病的发展过程，并为治疗提供反馈。比如某些癌变的组织的硬度，相比于健康组织会出现增加；一些肠道疾病的发展，会伴随着组织pH的变化。

基于此，研究人员提出一种新型微创方法，可以使用无线微型软体机器人对生物组织进行生理特性检测，让微型软体机器人的医疗功能得以拓展。

此前的传统医学成像方法主要用于检测组织的弹性，无法检测粘附力等高级生理特性。相比之下，植入式电子传感器可以连续监测组织的高级生理特性，例如粘附力、pH值、粘弹性、以及用于疾病诊断的生物标志物等。但是，这通常是侵入性的，需要通过手术植入，并且经常会引起炎症。     

图 | 通过无线微型软体机器人检测软组织生理特性的系统（来源：Science Advances）

而本次工作通过结合无线软体机器人和医学成像，来感知组织的一些高级生理特性比如器官深处的粘附力、pH值和粘弹性。

由磁场远程驱动的毫米级软体机器人能够以受控方式，附着和脱离软组织表面，并与软组织进行机械交互。同时，还能通过医学成像进行监控和跟踪机器人的形状，例如超声波和X射线医学成像。

当将磁场信息与机器人的形状信息结合并输入力学模型之中，组织的生理特性就能被精准检测出来。与之前报道的用于感知组织特性的植入式电子传感器、磁性微型设备和胶囊内窥镜相比，该方法利用机器人的多模式运动能力来穿越组织屏障，故能以最小的侵入性进入封闭的狭小的空间。同时，这种方法可以感知组织的高级生理特性，例如粘附力、pH值和粘弹性。而这些特性很难使用传统的医学成像工具、电子传感器和其他现有医疗设备来感知。

图 | 软体机器人的多模态运动（来源：Science Advances）  

在应用上，此次成果主要可被用于精准微创医疗，针对定点生物组织开展疾病监测。比如在X射线成像设备下，机器人可以被部署到小鼠模型的患病区域，再由外部磁场驱动以便实现检测组织pH与粘弹性。

图 | 软体机器人对小鼠模型的患病区域的组织特性进行检测（来源：Science Advances）

日前，相关论文以“In situ sensing physiological properties of biological tissues using wireless miniature soft robots”为题发在Science Advances期刊上。德国马普智能系统研究所和瑞士苏黎世联邦理工学院博士生王春翔、德国马普智能系统研究所博士后吴英丹、美国范德堡大学董晓光教授是共同一作，董晓光教授和德国马克斯普朗克智能系统研究所梅廷·司提（Metin Sitti）教授担任共同通讯。

编辑：黄飞