嵌入式超聲軟傳感器與磁驅微型機器深度一體化

具備無線傳感與操控能力的智能微型系統，被認為是推動生物醫學應用的重要方向。但在毫米乃至更小尺度上，傳感與驅動往往互相“打架”，使系統難以同時做到小型化、穩定和高性能。近期發表于《科學?機器人學》期刊的一項研究提出了新的解決方案。

華中科大臧劍鋒、唐翰川團隊聯合港中文張立團隊提出微機器人傳感器“Robotic Sensor”方案：將嵌入式超聲軟傳感器（EUSS）與磁驅微型機器深度一體化，并在機體上設計機載換能單元（onboard transducers）。系統依靠無源超聲通信配合外部磁場，實現對力、振動、黏度、溫度等關鍵參量的無線檢測與調控；在兔/豬模型中進一步展示了閉環控制、精準給藥、在體監測的可行性。論文以“Miniature magneto?ultrasonic machines for wireless robotic sensing and manipulation”為題，發表于Science Robotics。論文通訊作者為華中科技大學臧劍鋒教授、唐翰川副教授及香港中文大學張立教授，第一作者為香港中文大學博士生劉旭睿與華中科技大學唐翰川副教授。

研究緣起|為什么“小而全”這么難？

在毫米或者更小尺度，要把磁驅、穩定的通信和高靈敏的傳感裝進同一臺微機器，會出現多重牽制：

• 電池式生物電子：體積與質量上升，磁驅機動性下降；
• 電磁耦合：通信距離短、對環境場敏感、易互擾；
• 磁—機械諧振器：靠近鐵磁體容易改頻，精度與穩定性受影響；
• 超聲方案：雖具深穿透、對磁場不敏感的優勢，但一直缺乏微型化、易集成的實現路徑。

解決思路|微型機器人傳感器

把超聲軟傳感器直接做成微機器結構的一部分，讓它既是環境接口也是讀出端口。

圖1：機器人傳感器的設計與工作機理

• 二維聲子晶體：在硅橡膠基體內有序嵌入空氣腔陣列，形成結構相關聲學帶隙；
• 工作機理（圖1D）：外部磁場驅動→機器產生微形變→微泡陣列形變→超聲反射頻譜出現可測頻移；
• 讀出方式：完全無源，外部超聲探頭接收回波并分析，無需機載電子/電池，也不依賴傳統模/數鏈路；

圖2：傳感器表征與性能評估

在水槽模擬軟組織開展角度與頻譜表征：實驗裝置見圖2A。法向入射回波峰≈6.13 MHz；θ=0°時隨φ變化基本不變（圖2B）；θ增至15°出現明顯角度依賴，法向幅值最大（圖2C），±θ譜形對稱（圖2D）。結合成像與頻率映射，EUSS在不同模量材料中保持≈6 MHz選擇性反射（圖2E–G），>10 cm及豬離體組織內可穩定通信。循環加載顯示頻移隨應變2–20%單調變化（圖2H、2I）；在5%預載下，0.1%/0.2%應變亦能引起頻偏（圖2J）。

圖3：磁軟夾持器的無線力反饋與螺旋磁機器人的振動感知

臨床夾持器廣用于取樣與操作，但缺乏力反饋，夾持過大易致并發癥；而在毫米尺度，將無線力傳感與磁驅一體化又很困難。作者構建集成雙EUSS的磁軟夾持器（圖3A）：鐵磁軟聚合物實現無線磁驅，接觸時EUSS順應形變并以超聲頻移讀出受力，標定靈敏度6100 Hz/mN、分辨率61.3 μN（圖3D）。在超聲引導下完成對3 mm鮭魚卵的抓取—提升—釋放，力始終受控（圖3B–C）。進一步面向腦組織等場景，提出帶EUSS的螺旋型磁機器人用于搏動振動感知與反饋導航（圖3E）。在軟組織仿體中，遠離血管頻移Δf1<0.005 MHz，靠近時Δf2>0.04 MHz，提供安全距離指示并指導改變路徑（圖3F–G）。

圖4：具備精準劑量感知與定點給藥功能的無線膠囊機器人

精準控釋與劑量監測是藥物遞送的核心難題，尤其在無線的小尺度場景。作者提出機械響應型膠囊機器人：儲液腔（≤150 μL、雙50 μm微孔）+磁嵌活塞+EUSS軟條（圖4A）。外磁場推動活塞壓縮腔體，使近不可壓液體被定量推出，同時拉伸EUSS并產生回波頻移Δf，實現“邊釋放、邊計量”（圖4B）。在豬胃離體模型中完成滾動導航與定點釋放（圖4C），頻移呈階梯信號，可反演單次釋放體積V1–V5≈2.98、1.86、0.735、0.655、0.618 μL（圖4D）。在兔胃體內，X線+超聲雙模引導定位（圖4E–G），三次劑量幾乎一致（4.49、4.91、4.53 μL），并可擴展至更大劑量調控（圖4H，圖S29）。結果表明該平臺兼具無線操控與精準劑量感知，適用于在體靶向遞送。

圖5：用于原位無線黏度監測的磁性機器人

體液黏度與多種疾病密切相關，但現有監測多侵入、難以長期原位。作者提出黏度計微機器人：由振動片-EUSS-支撐/底座組成（圖5A），在旋轉磁場下振動，流體黏滯阻尼使EUSS產生周期拉伸并引起超聲頻移Δf（圖5B–C）。標定表明在1–8 mPa·s范圍，指標Δf1-Δf2隨黏度升高單調減小（圖5D）。在豬模型中，經導管將機器人置入胃部，透視、內鏡與超聲聯合定位（圖5E–H），注入PBS/7 mPa·s模擬胃液與血液后，系統可在數秒內實時讀出黏度變化（圖5I）。

圖6：可實時溫度監測與熱消融的無線磁性機器人

熱療與炎癥監測亟需實時溫度讀數，缺乏反饋易致穿孔等并發癥。作者提出“磁溫度計機器人”，由EUSS、螺旋雙金屬片與磁驅加熱端組成（圖6A）。溫度變化致雙金屬各向異性膨脹，牽引EUSS產生超聲頻移Δf，無線測溫；同一結構亦可受RF加熱用于治療（圖6B–D）。系統在30–60°C穩定工作，55°C時Δf≈0.451 MHz，靈敏度≈1200 Hz/°C、分辨率≈0.31°C（圖6C）。在豬肝離體消融中，頻移隨加熱/冷卻呈可逆曲線并與溫度擬合良好（圖6E–G）。在豬體內，機器人經定位進入胃部，三次10 s RF加熱，超聲持續讀出36–38°C波動（圖6H–J）。平臺實現“感知+加熱”一體化，為安全熱消融提供閉環支持。

總結|無線感知+反饋操控

微型機器要“能感能控”，長期受制于小型化、時空分辨率、通信距離與傳感-驅動互擾等難題。本研究將嵌入式超聲軟傳感器（EUSS）與磁驅微型機器深度耦合，構建無線傳感平臺，可檢測并調控力、振動、黏度、溫度等信號，在體外/在體完成微操作、靶向給藥與生理監測驗證。EUSS穩健小型、應變分辨高、通信深入，一器多用（傳感/處理/天線），與執行器同體集成且不降性能；通過調整振動片、雙金屬尺寸等結構參數可擴展量程與靈敏度，并可繼續縮小傳感/換能單元。該平臺為微型機器引入“本體感知+外界感知”為微型機器在醫學應用的發展提供新的思路。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1126/scirobotics.adu4851