多倫多大學多名科學家研發(fā)出磁力微型機器人，該機器人僅1-2毫米大小，通過3D打印技術(shù)只需20分鐘便可制作完成，可使用磁鐵作為遙控器，控制其朝各個方向前行，還能跳躍、抓取、翻滾等。

   微型機器人在醫(yī)療中大有用途，可用于采集組織樣本、微創(chuàng)手術(shù)等。此前已出現(xiàn)微米級磁性微游動機器人，但這次設(shè)計使用硬磁性和極紫外光刻技術(shù)，從而達到從前無法實現(xiàn)的大幅度移動和變形。

    華人科學家是這一研究團隊中的重要成員，并是相關(guān)研究論文的第一、第二作者，論文題目為：Millimeter-scale flexible robots with programmable three-dimensional magnetization and motions， 發(fā)表在2019年4月24日的Science 雜志子刊《Science Robotics》中。

3D打印替代手工組裝實現(xiàn)磁性顆粒的定向

   如果使用磁鐵控制機器人，機器人也必須要使用磁性材料，因此以前的磁控微型機器人是硬質(zhì)的。為了打造一個靈活的磁控機器人，多倫多大學的研究人員將磁性元素釹的粒子嵌入到塑料等更柔軟的材料中。

   研究人員使用一對強力的磁鐵來翻轉(zhuǎn)機器人特定部位的釹的極性，使它們在磁場中發(fā)生排斥和吸引，從而實現(xiàn)折疊。然后，他們將紫外線照射在這些部位上，固化嵌入在里面的材料，并將它們鎖定在特定的位置。

研究人員給機器人編程，使其能夠通過控制不同部位的極性來進行3D 運動，如抓取、爬行和游泳。

圖片：研究團隊利用磁場無線控制這些機器人的運動，實驗中使用一個游戲手柄來控制微型機器人的運動。

    為了協(xié)助外科手術(shù)或在人體內(nèi)運送藥物，未來的機器人將需要放棄有毒性的釹，轉(zhuǎn)而使用鐵等危險性較低的金屬。研究人員表示，使用鐵等金屬仍然可以讓機器人工作，但可能需要更強的磁鐵來操縱。除了醫(yī)療應(yīng)用外，這些機器人還可以被用于小型工廠生產(chǎn)微型的產(chǎn)品。

過去，組裝一個微型機器人需要一對尖嘴鑷子、一臺顯微鏡，需要研究人員穩(wěn)定的雙手，以及至少 8 個小時的操作時間。但多倫多大學的這個研究采用 3D 打印技術(shù)，僅需 20 分鐘即可打造出磁性毫米級微型機器人。

圖片：用于圖案化離散3D磁化的系統(tǒng)示意圖。（A）用于在UV可固化彈性體基質(zhì)復(fù)合材料中圖案化永磁顆粒的物理設(shè)備。DOF：自由度。（B）實驗測量的最大交聯(lián)厚度相對于磁性顆粒濃度。誤差條表示SD。（C）具有水平和垂直磁化分量的雙層結(jié)構(gòu)的示意圖。黃色箭頭表示在每個塊中的磁化方向。（D）雙層結(jié)構(gòu)的頂視圖圖像。單位比例尺代表實際長度2毫米。（E）使用磁光傳感器分別在各層的近表面處測量的面外磁通分布。利用獨立制造的兩層拍攝磁光圖像以更好地可視化磁化分布。

多倫多大學微型機器人實驗室由 Eric Diller 教授領(lǐng)導，他們開發(fā)的磁性微型機器人只有針尖大小，可以穿過充滿液體的血管和人體內(nèi)的器官。

圖片：具有分布式3D磁化分布的柔性磁平面結(jié)構(gòu)。黃色箭頭表示局部磁化的方向，綠色箭頭表示致動磁場的方向。材料厚約80微米?！笆诛L琴”的驅(qū)動磁場為200 mT，其他所有磁場均小于20 mT。所有組件都可以在原始形狀和折疊形狀之間進行快速可逆轉(zhuǎn)換。

每個微型機器人都由幾個扁平柔性材料的 “薄片” 組成，上面精確地排列著磁針。制造完畢之后，研究人員就利用磁場誘導機器人，讓機器人像蠕蟲一樣在流體通道中移動，或者將其微小的 “夾片” 合起來，從而能夠采集組織樣本。

論文第一作者徐天啟表示：“微型機器人制造起來相當困難，而且需要高強度的工作，因為制造這種機器人需要十分精確。此外，由于需要手工裝配，讓機器人變小就更加困難了，這也是我們的研究的主要目的?！?/p>

徐天啟和研究團隊的其他成員利用自動化技術(shù)，大大減少了設(shè)計和制造時間，并擴大了可以制造的微型機器人的種類。為了驗證他們的新技術(shù)的能力，研究人員設(shè)計了 20 多種不同的機器人形狀，然后通過3D 打印機制造出這些設(shè)計，在打印過程中實現(xiàn)磁性顆粒的定向。

這種新的優(yōu)化方法為開發(fā)比目前的毫米規(guī)模更小、更復(fù)雜的微型機器人打開了大門。Diller 教授認為，未來他們可以將機器人的尺寸再縮小 10 倍。

Review

   高分辨率3D打印技術(shù)與微型機器人的研究緊密相關(guān)。同樣是在4月下旬，麻省理工學院也公布了有一個磁控微型機器人研究成果。麻省理工學院的研究人員設(shè)計的微型機器人可以通過病人的血液中向病灶區(qū)域輸送納米級的藥物顆粒，使藥物能夠進入腫瘤或其他病灶區(qū)域。

   研究人員受到細菌的推進和運動方式的啟發(fā)，打造出的磁性微型機器人有助于克服納米粒子輸藥的最大障礙之一，即如何讓粒子離開血管并集聚在正確的位置。

    這 個微型送藥機器人只有0.35毫米大小，可以通過外部磁場來控制。這種受生物學啟發(fā)的機器人被研究人員稱為“人造細菌鞭毛”，由一種微小的螺旋結(jié)構(gòu)組成，類似于細菌推進自身運動的鞭毛。這些機器人使用高分辨率3D打印機進行打印，然后涂上鎳使其具有磁性。

    2018年8月，香港城市大學也公布了在3D打印微型機器人領(lǐng)域的研究進展。香港城市大學的研究人員開發(fā)了3D打印的微型機器人載體，這些載體可以在生物體內(nèi)（體內(nèi)）運輸細胞，用于靶向治療和組織再生。 機器人的球形和帶刺結(jié)構(gòu)是使用Nanoscribe的PhotonicProfessionalGT 雙光子聚合3D打印技術(shù)，該系統(tǒng)提供了“足夠的靈活性來優(yōu)化機器人結(jié)構(gòu)”。

   研究小組創(chuàng)造了幾種具有磁性和多孔性質(zhì)的3D打印微型機器人載體，以機械支持組織和器官原位再生。此外，研究人員觀察到2D細胞培養(yǎng)人工環(huán)境因其快速失去形狀而無效。

    通過微創(chuàng)設(shè)計，微機器人載體有可能進入人體較小和更復(fù)雜的區(qū)域。這包括胃腸器官，大腦和脊髓?？紤]到這一點，該研究使用了Nanoscribes的雙光子聚合光刻技術(shù)，該技術(shù)能夠通過光子晶體進行高分辨率3D圖案化。微型載體由負性光致抗蝕劑SU-850材料制成。