下一代电子植入物:受皮肤融合机制启发的多模态软体机器人

MEMS 2024-06-22 00:03

开发植入式仿生软体机器人,对于创新医疗技术具有重大的意义,尤其是在外科手术、诊断、给药、假肢、人工器官和用于康复的组织模拟器等方面。目前,植入式软体机器人已经取得了显著的进展,但在材料设计和制造技术方面仍存在诸多挑战,例如设计软体机器人需要考虑的材料顺应性、生物相容性和多功能性,以及制造技术需要实现的复杂结构和多功能集成等问题。

据麦姆斯咨询报道,近期,美国北卡罗来纳大学教堂山分校(University of North Carolina at Chapel Hill)白武斌课题组提出一种受脊椎动物骨骼肌和皮肤融合机制启发的软体机器人,可被设计作为电子植入物,用于医疗诊断、刺激和给药等。这种软体机器人主要由电子皮肤(e-skin)和人造肌肉组成,通过基于溶液的原位方法集成了多功能传感器和驱动系统,形成一个生物相容性平台,可实现自适应运动并与生物组织无应力接触,由于采用无电池无线模块,可实现无束缚操作。这项研究工作为医疗等领域提供了一种开发集成式软体机器人的通用策略。相关研究成果以“Skin-inspired, sensory robots for electronic implants”为题发表在Nature Communications期刊上。


图1 仿生软体机器人作为微创智能植入物用于医疗诊断、刺激和给药

这项研究工作提出一种高度仿生的软体机器人,能够无缝集成执行器、传感器和刺激器,实现结构适应性和可重构界面,从而最大限度地减少体内组织损伤,增强生物-非生物界面的机械匹配,提高生物相容性,并通过高时空分辨率改善多模态功能。这种软体机器人主要由两部分组成:由多模态纳米复合材料制成的电子皮肤层,能够模拟生物皮肤中的受体感知各种外部刺激;由热响应PNIPAM水凝胶制成的人工肌肉层,能够产生自适应运动。

研究人员采用基于溶液的原位方法制造柔性多模态电子皮肤。这种简便的方法作为多功能平台,可将各种功能材料(例如AgNWs、RGO和PEDOT)融入聚合物基质(例如PDMS和PI),从而形成具有高时空分辨率的各类传感器(例如温度、压力和应变传感器)。这种仿生设计为软体机器人提供了多样化的机械运动(例如弯曲、扭转和膨胀)以及结构变形(类似海星、鱼骨和手性种子荚等结构)。通过嵌入电子皮肤的电加热器电热刺激触发按需驱动,可以实现对软体区域的精确、独立控制。此外,通过与无线模块的集成,这种软体机器人在植入体内后可以实现无线控制和通信,不受束缚。


图2 多模态软体机器人的多材料集成


图3 用于无线传感和驱动的软体机器人设计和构造

研究人员针对特定应用场景开发了多种软体机器人,验证了其广泛适用性。具体实例包括:(1)可包裹膀胱的机器人抓手:用于膀胱容量评估和电刺激的协调闭环操作,以治疗膀胱功能不全等泌尿系统疾病;(2)可包裹血管的机器人袖带:用于测量血流和压力;(3)可食用机器人药丸:小型机器人药丸进入胃部后会膨胀,用于长时间体内监测和给药;(4)可轻柔抓握跳动心脏的机器人贴片:用于心外膜传感和电刺激(E-stim)。


图4 软体机器人与各种内脏器官的接口


图5 软体机器人用于心外膜传感和电刺激(E-stim)的体内验证

上述设计展示了这种仿生软体机器人在多种应用上的多功能性和巨大发展潜力。通过将驱动、传感和刺激功能自然集成在一个统一的实体中,这种仿生软体机器人将成为具有结构智能的下一代电子植入物。未来的技术进步将进一步增强该植入式软体机器人与生物组织的协同互动,从而在动态生理环境中实现长期的生物相容性和稳定性,进而有效改善慢性疾病的治疗效果。

论文信息:
https://doi.org/10.1038/s41467-024-48903-z

延伸阅读:
《机器人传感器技术及市场-2022版》
《印刷和柔性传感器技术及市场-2024版》
《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》

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