香港城大的無源遠程感知多足機器人,將開拓生物醫學檢測新應用

微型軟體機器人在體內/體外生物醫學研究中具有廣泛的應用前景。近年來,柔性機器人的驅動和運動研究方面已取得瞭大量的成果,但在環境感知、遠程信號傳輸等方面還存在較大的挑戰,離實際應用還有不小的距離。香港城市大學(香港城大)領導的研究團隊基於此前研發的多足軟體機器人(Nat.Com. 2018,9(1): 1-7)及微能源收集技術(Joule 2018, 2(4): 642-697),在微型機器人上集成瞭驅動、感知、信號傳輸等單元,通過耦合磁效應和壓電效應,研制瞭一種可進行遠程控制移動、周圍環境感知和遠程通訊為一體的無栓系微型軟體機器人。

相關成果由香港城大的申亞京課題組楊征保課題組以《基於耦合磁效應和壓電效應實現遠程控制移動、感知和通訊的毫米級軟體機器人》(Battery-Less Soft Millirobot That Can Move, Sense, and Communicate Remotely by Couplingthe Magnetic and Piezoelectric Effects)為題目,於近日發表在綜合期刊《尖端科學》(Adv. Sci.2020, DOI:10.1002/advs.202000069)上。
該微型機器人將機器人驅動單元和感知單元集成在一個多層薄膜(<0.5 mm)內,下部的仿生多足磁性復合材料肢體可提供驅動力,而柔性壓電陶瓷復合薄膜可提供感知功能。論文的共同第一作者,香港城大生物醫學工程學系博士後陸豪健說:“現階段對於微型軟體機器人來說,感知能力與運動性能的完美集成是一個挑戰。這項工作借鑒瞭此前工作多足結構的設計以保證其運動性能,同時利用射頻識別技術(RFID),將三個重要模塊,即上層的近場通信(NFC)電子模塊,中間的壓電感知(PEG)模塊和底部的多足軟體驅動(MSR)模塊(如圖1所示)集成在總體尺寸小於10×30 mm2的機器人上,其大小僅與指尖相當。在外部的磁驅動下,該微型軟體機器人可實現遠程驅動、環境監控和無線通信,而無需任何負載電池或外部有線電源。” 
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圖1 無栓系微型軟體機器人的三個組成模塊

此前,香港城市大學(香港城大)領導的研究團隊研發瞭一種可在幹燥和濕潤環境下運動的仿生多足軟體機器人,該機器人可以通過磁場的控制,用拍打的方式或左右擺動的方式運動,並且可以負載超過自身重量百倍的物體移動,在生物醫學領域具有重要應用

此次研發的機器人,在此基礎之上集成瞭三個重要模塊,分別承擔信號傳輸,傳感識別和運動驅動的任務。其中NFC的使用可以使無線通信模塊能夠獲取無線信號並將數據傳輸到任何NFC支持的消費類設備,例如智能手機和計算機。PEG模塊由壓電陶瓷復合材料(鋯鈦酸鉛PZT和聚二甲基矽氧烷PDMS),兩層銀電極和基底(PI膜和PDMS膜)構成,其產生的壓電信號能夠用於對外界環境的感知。MSR模塊由PDMS和磁性顆粒復合材料構成,其下方獨特的多足設計減少瞭軟體機器人運動的表面接觸面積。

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圖3 PEG模塊在不同壓力和彎曲狀態下的壓電響應

除瞭多功能的集成,用於制作壓電感知模塊(PEG)的設計也很重要。論文的共同第一作者,香港城大機械工程學系在讀博士生洪穎說:“與傳統的將壓電陶瓷粉末和高分子材料直接混合制成的壓電陶瓷/高分子復合材料不同的是,這次我們基於紙模板制備瞭一種具有連續3D陶瓷框架的壓電泡沫復合材料,讓其具有更好的機械特性和壓電特性(如圖3所示)。與傳統方法相比,這種無縫集成的全軟體結構,能夠很好地發揮全軟體機器人的優勢。”

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圖4 PEG模塊分別在壓縮和彎曲狀態下的循環特性

洪穎補充道:“此外,這種壓電陶瓷復合材料同時具有很好的抗疲勞特性,在十萬次壓縮及一萬次彎曲循環中都能保持很好的壓電響應(如圖4所示),保證瞭機器人的運動能力。”

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圖5 微型軟體機器人的運動及其產生的壓電信號 

在實驗中,通過外界磁場的控制,微型軟體機器人可以以拍打的方式向前移動,其本身的PEG模塊可以產生相應的壓電信號(如圖5所示)。值得指出的是,機器人運動所產生的壓電信號會隨著接觸界面的不同而發生變化,例如剛性平面界面可以產生突變信號峰,剛性臺階界面導致信號峰值降低,柔性臺階界面可以得到一個非常平穩的信號波,液體界面由於表面張力的影響會產生雙峰信號。“在運動過程中,機器人的針狀足,就像無數個AFM探針一樣不斷地對周圍環境進行掃描(如圖6所示),我們期望將來能將這種技術用於體內不同區域的檢查,如是否發生病變等。”陸豪健博士說道。

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圖6 微型軟體機器人通過不同界面時的壓電響應 

楊媛媛補充說:“除瞭其自身具有的探針感知能力之外,這種微型軟體機器人還能攜帶不同類型的傳感器探測周圍的環境。例如,當這種攜帶有溫度傳感器的微型軟體機器人經過紅外線照射的不同區域時,其溫度變化產生的電信號能通過NFC無線傳輸到電腦端(如圖7所示)。”

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圖7 微型軟體機器人通過紅外燈不同區域時的溫度響應

楊征保博士和申亞京博士總結道:“這種具有感知功能的無栓系微型軟體機器人有非常多的優勢,如全軟體結構,較長的使用壽命,出色的機械強度和可靠性,運動、感知和無線通信的同時實現,以及高度靈敏的界面感應和熱感應。這種集無線驅動與傳感於一身的無縫集成概念為新興的無栓系微型軟體機器人提供瞭一種通用解決方案,它將在諸如無線操縱和傳感以及體內醫學監測治療等領域有十分廣泛的應用。”

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圖8 微型軟體機器人在真實牛胃環境中的運動

該工作由香港城市大學生物醫學工程學系申亞京課題組及機械工程學系楊征保課題組共同完成。香港城市大學生物醫學工程學系陸豪健博士和機械工程學系的在讀博士生洪穎為論文的共同第一作者,其他作者包括生物醫學工程學系的在讀博士生楊媛媛,楊征保和申亞京為論文的共同通訊作者。該項目研究得到瞭國傢優秀青年科學基金(港澳)(NSFC61922093),國傢自然科學基金(61773326,11902282),香港大學教育資助委員會(21210619),香港城大校內基金(9610390)等資助。

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