超聲“微泡肌肉”驅(qū)動(dòng)仿黃貂魚(yú)機(jī)器人 新技術(shù)有望革新微創(chuàng)手術(shù)與精準(zhǔn)給藥

瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zurich）科研團(tuán)隊(duì)近日發(fā)布了一款仿生“黃貂魚(yú)機(jī)器人”（stingraybot），利用超聲驅(qū)動(dòng)的微泡人工肌肉實(shí)現(xiàn)游動(dòng)，不依賴電纜或機(jī)載電池供能，被認(rèn)為在外科手術(shù)、精準(zhǔn)給藥、軟體機(jī)器人以及野生動(dòng)物研究等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。這項(xiàng)成果已發(fā)表于最新一期《自然》期刊，論文題為《Ultrasound-driven programmable artificial muscles（超聲驅(qū)動(dòng)可編程人工肌肉）》。

這款“黃貂魚(yú)機(jī)器人”寬約4厘米，通過(guò)模擬真實(shí)黃貂魚(yú)胸鰭的波浪式振動(dòng)實(shí)現(xiàn)推進(jìn)。其核心在于一種特殊的硅膠薄膜：研究團(tuán)隊(duì)利用微結(jié)構(gòu)模具在薄膜上制出僅約十分之一毫米深、與人類頭發(fā)直徑相當(dāng)?shù)奈⒖祝∧そ胍后w后微孔會(huì)捕獲空氣形成“微氣泡”，成為可被遠(yuǎn)程操控的“肌肉單元”。

通過(guò)向薄膜發(fā)射超聲波，研究人員可以在毫秒級(jí)時(shí)間內(nèi)精確控制這些微泡發(fā)生形變，使整塊薄膜產(chǎn)生彎曲或波動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院聲學(xué)機(jī)器人教授Daniel Ahmed表示，能在如此微小結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)類似生物體“波動(dòng)式運(yùn)動(dòng)”（undulatory locomotion），證明微泡不僅能完成簡(jiǎn)單形變，還能編排出復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)模式。

微泡排列方式?jīng)Q定了“肌肉”的運(yùn)動(dòng)形式：當(dāng)薄膜上氣泡大小統(tǒng)一時(shí)，整體主要根據(jù)超聲信號(hào)的振幅發(fā)生彎曲；當(dāng)氣泡大小不一時(shí)，不同尺寸氣泡對(duì)不同頻率的超聲產(chǎn)生選擇性響應(yīng)，從而在薄膜上形成連續(xù)的波浪式傳播，實(shí)現(xiàn)類似魚(yú)類游動(dòng)的起伏運(yùn)動(dòng)。正是這種可編程的彎曲與波動(dòng)組合，使得黃貂魚(yú)機(jī)器人在水中展現(xiàn)出逼真的仿生游姿。

相比傳統(tǒng)由金屬、硬塑料或復(fù)合材料構(gòu)成的剛性機(jī)械結(jié)構(gòu)，這種超聲驅(qū)動(dòng)軟體系統(tǒng)具備更高柔順性和安全性，尤其適合在狹窄、彎曲、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的空間內(nèi)執(zhí)行任務(wù)，例如人體消化道或臟器表面。Ahmed團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這類“可聽(tīng)見(jiàn)的肌肉”將為手術(shù)器械、生物操作工具以及新一代軟體機(jī)器人提供全新的設(shè)計(jì)思路。

在具體應(yīng)用探索中，研究人員已經(jīng)利用同一技術(shù)制作出一款微型“柔性抓取器”。論文共同第一作者、Ahmed的前博士生張智遠(yuǎn)（Zhiyuan Zhang）介紹，他們用該抓取器成功夾取并釋放了一條斑馬魚(yú)幼體，整個(gè)過(guò)程未對(duì)其造成損傷，“幼體隨后依然能夠正常游動(dòng)”，展示了系統(tǒng)在精細(xì)、生物友好操作方面的潛力。

團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了一種基于微泡肌肉的“軟體輪式機(jī)器人”，并在豬腸道模型中完成了遠(yuǎn)程導(dǎo)航測(cè)試。另一位共同第一作者施展（Zhan Shi）指出，腸道內(nèi)腔狹窄、彎曲且表面不規(guī)則，對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)構(gòu)成極大挑戰(zhàn)，而該軟體輪式結(jié)構(gòu)仍能在其中推進(jìn)，說(shuō)明這類系統(tǒng)在復(fù)雜體內(nèi)環(huán)境中具有可行性。

除運(yùn)動(dòng)平臺(tái)外，研究團(tuán)隊(duì)還制作了可貼附在彎曲表面上的超聲激活給藥貼片，并在組織模型中實(shí)現(xiàn)了精確釋放染料的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。未來(lái)如果進(jìn)一步成熟，這一技術(shù)有望演化為體內(nèi)精準(zhǔn)給藥方案：例如將可卷曲的“黃貂魚(yú)機(jī)器人”折疊裝入可吞服膠囊，進(jìn)入消化道后展開(kāi)，在超聲指令下于目標(biāo)位置釋放藥物，從而在無(wú)需手術(shù)的情況下進(jìn)行局部治療。

研究者設(shè)想，這類微泡人工肌肉不僅可以在胃腸道中執(zhí)行任務(wù)，還可能作為“心臟貼片”等植入式輔助手段，貼附于跳動(dòng)心臟表面，配合超聲調(diào)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)心肌運(yùn)動(dòng)或局部治療的輔助。目前相關(guān)技術(shù)處于實(shí)驗(yàn)室階段，但已在動(dòng)物模型和組織模型中展現(xiàn)出良好可控性與安全性，為未來(lái)臨床轉(zhuǎn)化奠定了基礎(chǔ)。

據(jù)蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院介紹，超聲驅(qū)動(dòng)可編程人工肌肉是其在聲學(xué)機(jī)器人與軟體醫(yī)療器械研究方向上的重要進(jìn)展，后續(xù)團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)優(yōu)化微泡結(jié)構(gòu)、材料生物相容性及超聲控制策略。科研人員期待，隨著這類仿生軟體系統(tǒng)迭代成熟，“黃貂魚(yú)機(jī)器人”及其衍生平臺(tái)有望成為手術(shù)室、內(nèi)鏡檢查和體內(nèi)精準(zhǔn)治療中的新型“隱形助手”。