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  微型機(jī)器人實(shí)現(xiàn)定向定量送藥可以最大程度的保證藥物到達(dá)病灶處，同時(shí)減少藥物對(duì)身體其他健康部分的損害，未來(lái)有望改善癌癥等疾病的治療效果，是醫(yī)工交叉領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前常用方法是在機(jī)器人上設(shè)計(jì)額外的放藥機(jī)制，采用不同的驅(qū)動(dòng)方式分別控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和放藥，增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜度，同時(shí)用于放藥的結(jié)構(gòu)可能還對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響。除此之外，面對(duì)復(fù)雜的人體環(huán)境，例如腸胃、泌尿系統(tǒng)等器官壁與體液混合的空間，機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)性問(wèn)題也是一大挑戰(zhàn)，目前還沒(méi)有送藥機(jī)器人能展示兩棲環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)能力。

  近日， 斯坦福大學(xué)趙芮可教授團(tuán)隊(duì)以 “Spinning-enabled Wireless Amphibious Origami Millirobot” 為題在《Nature Communications》上報(bào)道了一種可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)水路兩棲多模態(tài)運(yùn)動(dòng)和可控藥物釋放的微型機(jī)器人。

  該機(jī)器人基于磁驅(qū)動(dòng)Kresling折紙結(jié)構(gòu)，研究團(tuán)隊(duì)近年來(lái)針對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一系列研究，通過(guò)利用折紙的變形特性探索了其磁驅(qū)動(dòng)和分布式驅(qū)動(dòng)的原理（PNAS, 2020, 39, 24096-24101），開(kāi)發(fā)出可實(shí)現(xiàn)多模態(tài)變形的仿生機(jī)械臂（PNAS, 2021, 36, e2110023118）以及狹窄空間內(nèi)送藥的類蠕蟲爬行機(jī)器人（Sci. Adv., 2022, 13, eabm7834）。

  在最新研究中，團(tuán)隊(duì)打破了折紙機(jī)器人領(lǐng)域利用變形實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的傳統(tǒng)和思維定式，充分探索并利用了折紙結(jié)構(gòu)的幾何特征和可折疊特性，開(kāi)發(fā)出了一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能集成、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的微型兩棲送藥機(jī)器人。

  該工作創(chuàng)新點(diǎn)主要為以下三點(diǎn)：

  （1）Kresling折紙外形具有類似螺旋槳的結(jié)構(gòu)，在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下，機(jī)器人在水中高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生沿軸向的推進(jìn)力，并可通過(guò)改變旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)所在平面靈活控制機(jī)器人在三維水域內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。

  （2）Kresling折紙結(jié)構(gòu)的耦合位移-收縮特性被用作實(shí)現(xiàn)可控放藥的泵送原理，當(dāng)施加固定方向的周期性磁場(chǎng)時(shí)，機(jī)器人將循環(huán)收縮展開(kāi)用以觸發(fā)機(jī)器人內(nèi)部設(shè)計(jì)的放藥結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)按需按量的釋放藥物，當(dāng)與兩棲運(yùn)動(dòng)結(jié)合，即可實(shí)現(xiàn)液體環(huán)境下和離體豬胃內(nèi)的定向送藥。

  （3）通過(guò)引入側(cè)面的切痕和前端的開(kāi)孔，機(jī)器人在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)在腔體內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)負(fù)壓區(qū)域，該原理不但可以在機(jī)器人游泳運(yùn)動(dòng)時(shí)減小運(yùn)動(dòng)阻力，還被創(chuàng)造性的用于物體的吸取，進(jìn)一步提高了機(jī)器人的多功能性。

  團(tuán)隊(duì)提出的兩棲毫米機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需任何額外功能單元設(shè)計(jì)，所有功能均通過(guò)磁場(chǎng)控制實(shí)現(xiàn)，機(jī)器人系統(tǒng)具有多功能并高度集成，未來(lái)可作為微型醫(yī)療設(shè)備實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)治療或診斷。