热门:微型火箭机器人，血液中的“长三乙”

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原始长光所light中心中国光学

封面图来源: universityofwisconsin-milwaukee

写作|李望

01

里德

长期以来，研究者期待着微/纳米机器人通过血管系统到达人体的所有部位。 正如许多科幻电影(如《超经验黑客》)所设想的那样，利用微型/纳米机器人进入人体的特定组织和器官，进行正确的药物配送和外科手术，达到了个性化的医学诊断和治疗。

但是，在血液这种粘性介质中高速驱动微型机器人仍然是一个重大课题。 另外，当微型机器人进入血流中时，如何实现各个微型机器人的姿势注意和追踪也非常困难。

比较这两大挑战，香港城市大学生物医学工程学院申亚京课题组为国际顶级期刊nature子刊light: science &； applications发表论文。 他们发明了火箭状的微型机器人，搭载了全光学驱动和成像系统，在近红外光激励下实现了单一微型机器人在血流中的高速驱动和高分辨率观测和跟踪。

通过创新的火箭状多管设计，大幅提高了微型机器人的驱动力，在模拟血液的粘性甘油溶液中可以实现2.8 mm/s (每秒62体长)的运动速度。 另外，通过与光声显微成像系统集成，可以在血液中以3.2 um的光学分辨率定位和跟踪单一的微型火箭机器人。 该研究为血液环境作业微纳米机器人的设计、驱动和跟踪开辟了思路，有望推进和扩大微纳米机器人在生物医学行业的应用。

02

背景介绍

长期以来，微/纳米机器人的迅速发展备受瞩目，在生物医学应用中，具有药物传递、肿瘤治疗或体内手术等巨大潜力。 现在，使用微/纳米机器人的药物送达和肿瘤治疗大多仅限于胃、肠道、皮下组织。 众所周知，血液循环系统是连接人体各部分的最高网络，为了让微型机器人进入其他器官，血管是最好的通道。 通过设定和订正控制微型机器人通过血管系统到达人体的各个部位，可以期待不同的组织和器官病灶的判断和治疗。

但是，血液微机器人的开发面临着一些挑战，其中如何在血流中实现微机器人的有效驱动和正确观测是两大核心课题。 特别是对于规模小于100 um的微型机器人来说，粘稠高速流动的血液是非常严峻的商业环境。 化学驱动微型机器人具有高速运动的特征，但化学燃料的毒性不适用于血管环境。 磁场驱动具有良好的生物兼容性，用粘稠液体可以实现良好的操作性，但其运动速度有很大的局限性。

以往的研究表明，在所有无毒、无创的物理场驱动方法中，光驱动是一种高速、高效的驱动方法，脉冲激光驱动的微型机器人甚至具有穿透细胞膜的能力。 另外，光驱动的控制灵活性大大提高了微机器人的适用性和结构设计的灵活性。 这是因为为了实现光驱动，只需要设计微型机器人的结构或可动区域的非对称性即可。 除了驱动，另一个挑战是正确跟踪血流中的微型机器人。 现在的摄像技术，例如x射线摄像、ct和mri摄像、荧光摄像、超声波摄像等，可以实现生物体组织中的微机器人的集群观察，但不容易实现单一的微机器人的高分辨率观察和跟踪。 光声成像的分辨率和针对度更高，但很多微型机器人的光吸收效果差，成像灵敏度低。 因此，目前血管中没有实现单一微型机器人的高分辨率观测和跟踪。

对比这两大挑战，作者从微型机器人的结构设计和观测系统展开了创新研究。

03

创新研究

1 .微型火箭机器人的驱动和跟踪全光系统的示意图。

图像来源: lightsciappl 9，84 ( ).( FIG.1 )

如图1所示，微火箭机器人的驱动和跟踪全光系统主要包括两个部分。

808 nm近红外连续激光对微型机器人在血管中的高速驱动

基于532 nm纳秒激光的微机器人运动姿态的高分辨率光声成像与跟踪。

. 1

多管嘴火箭微型机器人

2 .微型火箭机器人的结构设计、制造及驱动示意图。

图像来源: lightsciappl 9，84 ( ).( FIG.2 )

为了比较有效地在血液这种高粘度液体中输送微型机器人，需要产生高瞬时推进力。 研究者参考自然界常见的界面增强效果(如荷叶疏水)，在微型机器人的结构上设计了火箭一样的多喷嘴三维( 3d )结构，增加了“火箭”的推进通道和光激发区域的面积，比较有效地将驱动速度提高了三倍 如图2所示，微型火箭机器人由激光直拍3d打印制造，激光直拍技术适于3d中空微细结构的阵列化制造，因此具有高分辨率。

3 .微型火箭机器人的结构示意图及电子显微镜照片。

图像来源: lightsciappl 9，84 ( ).( FIG.2 )

如图3所示，微型火箭机器人由直径20m、壁厚2m的微管构成，中心管和两侧对称管的长度分别为45m和22.5 µm。

为了提高光学驱动器的动力和光声成像灵敏度，在微型火箭的表面镀了100 nm厚的功能层即金( au )膜。 该au膜在可见光和近红外波段具有较强的光吸收能力，在808 nm的连续波条件下产生更强的光热驱动力，用632 nm的纳秒激光可以产生与血液背景不同的强光声信号。 这是因为这样可以提高微型火箭机器人的驱动效率和观测灵敏度。

图4.3种微型机器人在近红外光激发下的理论模拟( a )和粘性甘油中的运动路径( b )。 。

图像来源: lightsciappl 9，84 ( ).( FIG.3 )

本研究中的微机器人由光热驱动，研究者分别研究了微棒状、微管状和多喷嘴火箭状微机器人的驱动效果。 如图4a的有限元分析结果所示，当利用近红外光激发微型火箭机器人的尾部时，火箭尾部的温度明显高于头部温度，该非对称性温度梯度产生的热泳力可以使微型机器人直接前进。 另外，除了这种自热以外，中空微管结构形成管内的光热能量集中，有利于以高热流的形式从管中喷出。 因此，中空微管结构的引入与实心微杆结构相比，大大提高了微机器人的驱动速度。 如图4b所示，在同一时间内( 1 s )，多喷嘴火箭微型机器人的前进距离最大( 777.4 um )，驱动速度比各个微管机器人快约3倍，比微型棒状机器人快约7.5倍！

. 2

光驱动火箭微机器人的高速运动与柔性控制

为了具有接近的粘度，研究者用50%甘油溶液模拟了人体的血液环境，研究了微型火箭机器人在高粘度溶液中的运动行为。 通过多喷嘴界面增强设计，微型火箭机器人可以在近红外( 1w，808 nm )激发下在粘性溶液中获得超过3 mm / s的瞬时移动速度。 这种瞬时的爆发力，微型机器人可以战胜高粘流体的粘性力，实现有效的驱动控制。 另外，通过增大激发激光的功率，可以进一步提高移动速度。 在1.5 w激励下，平均移动速度达到相当高的2.8 mm / s (每秒62人的长度)，这也是微型机器人能够用于人体的基准速度。 与其他微型机器人驱动技术相比，该设计在运动速度上有显著的突破，特别是有强大的瞬时驱动，这为微型机器人在真正体液中的比较有效的运动提供了可能性。

图5 .微型火箭机器人的运动控制( a )及其运动立场的经时变化( b )。 。

图像来源: lightsciappl 9，84 ( ).( FIG.4 )

如图5a所示，通过控制激励部位，可以灵活地控制微型机器人的运动方向。 照射整个微型火箭尾巴时，火箭沿着直线移动( 6.8 s到10.4 s )。 如果只照射火箭头部或尾部的一侧，非对称热流会引起火箭的旋转运动( 5.5 s到6.6 s )，微型火箭机器人在1.1 s实现了152°的旋转。 这种灵活的运动控制大大提高了微型机器人的适用性，为微型机器人在比较生物医疗应用中的应用提供了可能性。

图6 .微型火箭机器人的(模拟)静态血管中的运动( c )及其运动参数随时间的变化( d )。 。

图像来源: lightsciappl 9，84 ( ).( FIG.4 )

如图6所示，使用内径250m的橡胶微管灌流50%甘油模拟人体的静态血管，微型火箭机器人在光驱动下可以以平均速度225.3 µm / s和最大3.4 mm / s的瞬时速度自由移动。 众所周知，这是用现在的粘性微管可以实现尺寸约50m的微型机器人的最高移动速度记录。

. 3

单一微型机器人的精确跟踪

图7 .微型火箭机器人血液中的光声图像和跟踪。

图像来源: lightsciappl 9，84 ( ).( FIG.5 )

为了准确观测追踪血流中的各个微型机器人，研究者使用了横向分辨率为3.2 µm的光声显微镜( or-pam )系统。 光声显微镜用短脉冲激光照射光吸收材料，材料吸收光能转换成超声波信号。 这个光声信号有样品的特色消息。 光声成像与普通光学显微镜相比，在血液微机器人的跟踪观测方面具有很大的特征。 微型火箭机器人表面的au镀层由于au镀层能够在532 nm的照射下产生比血液背景更强的光声信号，因此能够提高光声图像的相对度。 如图7b所示，光学显微镜可以很好地分辨透明介质中的微型火箭机器人，但如果加入血液，光学显微镜就不能实现比较有效的分辨率。 因为如果使用or-pam系统，微型火箭的光声信号振幅比背景血液高~33%，所以可以实现良好的分辨率(图7 c )。 为了模拟实际生物环境，如图7 d所示，当微型火箭机器人放置在麻醉小鼠的耳朵下时，光声成像结果(图7e )是微型机器人的光声信号振幅约为背景血液的3倍(图7 f )，因此是高精度的图像

图8 .微型火箭机器人(模拟)血流中的光声成像和跟踪。

图像来源: lightsciappl 9，84 ( ).( FIG.5 )

如图8所示，在包含血液的250 µm橡胶管上放置尺寸约50m的微型机器人模拟血管内的输送时，or-pam系统能够正确观测各个微型火箭的形状和深度新闻，通过组合两者，实现血液中的单一光驱动

04

应用与展望

以往，能在血液环境中工作的微/纳米机器人一直是生物医学行业的研究热点。 面对这个行业的两大挑战，该团队提出了火箭状多喷嘴微机器人的新设计概念，利用激光直拍3d印刷技术制造镀金膜的微机器人通过近红外驱动和光声成像，迈

研究人员表示，由于生物组织不可避免的光散射效果，目前的系统只能适用于<的1 mm浅层组织同时受摄像速度的限制，无法进行高分辨率的实时跟踪。 将来，将激发光源、超高速激光以及高速扫描仪的优化与迅速发展相结合，开发出高速or-pam系统应用于血液中微型机器人的迅速实时准确跟踪，微型机器人可以应用于个性化生物医学诊断和治疗

新闻副本:

相关成果以“micro-rocketrobotwithall-opticactuatingandtrackinginblood”为题发表在light: science &上。 应用程序。

论文地址:

doi/10.1038/s41377-020-0323-y

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原标题:“微型火箭机器人，血液中的“长三乙””

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