開發植入式仿生軟體機器人，對于創新醫療技術具有重大的意義，尤其是在外科手術、診斷、給藥、假肢、人工器官和用于康復的組織模擬器等方面。目前，植入式軟體機器人已經取得了顯著的進展，但在材料設計和制造技術方面仍存在諸多挑戰，例如設計軟體機器人需要考慮的材料順應性、生物相容性和多功能性，以及制造技術需要實現的復雜結構和多功能集成等問題。
據麥姆斯咨詢報道，近期，美國北卡羅來納大學教堂山分校（University of North Carolina at Chapel Hill）白武斌課題組提出一種受脊椎動物骨骼肌和皮膚融合機制啟發的軟體機器人，可被設計作為電子植入物，用于醫療診斷、刺激和給藥等。這種軟體機器人主要由電子皮膚（e-skin）和人造肌肉組成，通過基于溶液的原位方法集成了多功能傳感器和驅動系統，形成一個生物相容性平臺，可實現自適應運動并與生物組織無應力接觸，由于采用無電池無線模塊，可實現無束縛操作。這項研究工作為醫療等領域提供了一種開發集成式軟體機器人的通用策略。相關研究成果以“Skin-inspired, sensory robots for electronic implants”為題發表在Nature Communications期刊上。
圖1 仿生軟體機器人作為微創智能植入物用于醫療診斷、刺激和給藥
這項研究工作提出一種高度仿生的軟體機器人，能夠無縫集成執行器、傳感器和刺激器，實現結構適應性和可重構界面，從而最大限度地減少體內組織損傷，增強生物-非生物界面的機械匹配，提高生物相容性，并通過高時空分辨率改善多模態功能。這種軟體機器人主要由兩部分組成：由多模態納米復合材料制成的電子皮膚層，能夠模擬生物皮膚中的受體感知各種外部刺激；由熱響應PNIPAM水凝膠制成的人工肌肉層，能夠產生自適應運動。
研究人員采用基于溶液的原位方法制造柔性多模態電子皮膚。這種簡便的方法作為多功能平臺，可將各種功能材料（例如AgNWs、RGO和PEDOT）融入聚合物基質（例如PDMS和PI），從而形成具有高時空分辨率的各類傳感器（例如溫度、壓力和應變傳感器）。這種仿生設計為軟體機器人提供了多樣化的機械運動（例如彎曲、扭轉和膨脹）以及結構變形（類似海星、魚骨和手性種子莢等結構）。通過嵌入電子皮膚的電加熱器電熱刺激觸發按需驅動，可以實現對軟體區域的精確、獨立控制。此外，通過與無線模塊的集成，這種軟體機器人在植入體內后可以實現無線控制和通信，不受束縛。
圖2 多模態軟體機器人的多材料集成
圖3 用于無線傳感和驅動的軟體機器人設計和構造
研究人員針對特定應用場景開發了多種軟體機器人，驗證了其廣泛適用性。具體實例包括：（1）可包裹膀胱的機器人抓手：用于膀胱容量評估和電刺激的協調閉環操作，以治療膀胱功能不全等泌尿系統疾??；（2）可包裹血管的機器人袖帶：用于測量血流和壓力；（3）可食用機器人藥丸：小型機器人藥丸進入胃部后會膨脹，用于長時間體內監測和給藥；（4）可輕柔抓握跳動心臟的機器人貼片：用于心外膜傳感和電刺激（E-stim）。
圖4 軟體機器人與各種內臟器官的接口
圖5 軟體機器人用于心外膜傳感和電刺激（E-stim）的體內驗證
上述設計展示了這種仿生軟體機器人在多種應用上的多功能性和巨大發展潛力。通過將驅動、傳感和刺激功能自然集成在一個統一的實體中，這種仿生軟體機器人將成為具有結構智能的下一代電子植入物。未來的技術進步將進一步增強該植入式軟體機器人與生物組織的協同互動，從而在動態生理環境中實現長期的生物相容性和穩定性，進而有效改善慢性疾病的治療效果。
論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-48903-z
延伸閱讀：
《機器人傳感器技術及市場-2022版》
《印刷和柔性傳感器技術及市場-2024版》
《即時診斷應用的生物傳感器技術及市場-2022版》
