米粒大小的手术机器人问世,1秒切换不同功能

2026-05-28 | 来源: MIT科技评论 | 转到微信 | 有0人参与评论 | 字体: 放大缩小 | 收藏 | 打印

1966 年，美国上映了一部名为《神奇旅程》的科幻电影，影片中被缩小成微米级别的五名医生被注射到患者体内进行血管手术。时至今日，电影中的虚构桥段正在走进现实世界，只不过在体内治疗疾病的是“微型机器人”。

“微型机器人”其实是一个统称，其涵盖了尺寸从 1 微米（约为人类头发丝直径的 1/100）到数毫米的机器人，而机器人的尺寸小于 1 微米则称之为“纳米机器人”。

因体积小巧、灵活性高，微型机器人被认为是未来无创或微创手术的主要解决方案。尤其是磁控微型机器人，因为磁场可以无害地穿透人体组织，且能精准控制。

目前主要包括两类磁控微型机器人。第一类具有粘液或液体基的身体，这类机器人的身体太软，无法输出足够的力来进行切割等手术操作，且可能会在人体内留下残留物。如果想让它们变硬，通常需要极强的磁场，或者需要加热到 60℃ 以上，可能导致患者体内细胞死亡。

第二类具有固体弹性体的身体，虽然不会有残留且可以远距离控制（小于30 厘米），但因为受限于单一的磁化方式，它们最多只能具备两种手术功能。此外，大多数此类机器人只能实现 5 个自由度的运动，很难在人体复杂的环境中自由穿行。

近日，新加坡南洋理工大学 (NTU) 的研究人员开发了一个 4.4mm、拥有 6 个自由度的软体微型机器人，不仅能在复杂环境中灵活移动，还能通过磁场重新编程，在体内做 5 种手术动作，包括释放药物、切割生物组织、抓取和存储生物样本以及远程加热。切换这些功能只需不到一秒的时间。相关文章发表在 Advanced Materials 期刊。

领导这项研究的是南洋理工大学机械与航空航天工程学院的副教授 Lum Guo Zhan（林国展）。过去十多年里，他一直深耕于微型机器人领域。

2021 年，他的团队在 Advanced Materials 发文，成功解决了长期困扰微型磁控软机器人的运动学瓶颈。团队通过优化机器人内部的磁化分布，首次实现了完整的 6 个自由度，这意味着该机器人能够在横滚、俯仰和偏航三个维度上自由旋转。

人类和机器人举行包裹分拣"大战" 结果是…

在杭州转了一圈,发现机器人不当人也挺好的?

最不像机器人的机器人,正在改变世界

为了破解现有磁控微型机器人的局限性，研究团队设计了智能磁性复合材料。也就是让机器人内部包含多种具有不同矫顽力、刚度和响应频率的磁性物质。有些部位磁性强、容易被重新磁化/退磁；有些部位磁性不会轻易被改变，比较稳定。（注：矫顽力是磁性材料的特性之一，是指在磁性材料已经磁化到磁饱和后，要使其磁化强度减到零所需要的磁场强度。）

这些物质主要包括钕铁硼（NdFeB）磁性微粒，钕铁硼被誉为“磁王”，具有极高的磁性和矫顽力（达到 93.3–614 mT）。机器人的主体执行部件、重编程模块以及用于运动的触手，都掺入了这种微粒。

二是四氧化三铁（Fe₃O₄）纳米颗粒，被专门用于机器人最顶部的远程加热组件中，负责发热做热疗。

部分材料可以在 60–65 mT 的磁场作用下被可逆地磁化和消磁；而其他具有更高磁矫顽力的区域，则完全不会受到这种磁化和消磁过程的影响。通过这种差异化的材料布局，机器人可以被随时随地且安全地重新编程，切换工作模式。

机器人的材质主要是硅胶类软材料，包括 PDMS（聚二甲基硅氧烷）与 Ecoflex 00-10（一种超软硅胶）。前者是一种刚度相对较高的医用级高分子聚合物，用它来制作机器人主体内部的磁化组件以及第六自由度增强模块。较高的刚度确保了这些执行部件在发力切割或抓取时，具有足够的支撑力和骨架强度，不会软塌塌地变形；后者是一种极其柔软且富有弹性的材料，被专门用来制作机器人负责运动的柔软触手。