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機器之心編輯部

有研究提出一種原位制造微型機器人的方法，登上《Science Robotics》封面。

幾十年來，智能微型機器人的研究越來越多。通過小型化組件和系統，微型機器人有望在小范圍內執行復雜的任務，如細胞定位、靶向藥物輸送和微創手術。微型機器人的發展已經從硬質結構開始向柔性結構過渡，不受束縛的軟體微型機器人受到越來越多的關注。

不過目前看來，不受束縛的軟體微型機器人的制造存在一些局限性，例如組裝和集成都是基于傳統方法。機器人上的微型部件通過不同的微加工工藝在不同地方制備，然后才能組裝成一個具有特定功能的微型機器人。

這一點和大自然中的生物不同。細胞、組織、器官等生物系統是通過協調超分子和細胞進程自下而上自組裝的。我們以小鼠為例，在小鼠肢體肌肉骨骼系統的發育過程中，第一步是通過間充質干細胞、肌源細胞的分化和增殖形成肢體初級骨骼結構和肌肉；然后，骨骼和肌肉之間生成骨嵴和肌腱，形成小鼠的功能性肢體。我們可以將小鼠的這種發育方式稱為原位構建（situ constructed）。

如果微型機器人可以用類似于小鼠的方式進行原位構建，那么機器人系統將更容易形成，避免復雜的組裝和集成，從而降低相關成本。

已有研究證明原位構建可用于制造軟體微型機器人，不過將其成功應用于微型機器人的關鍵是合適的活性材料。這種材料必須具有一種特殊的性質，即通過微加工就能圖形化（patterned）所需的 2D 或 3D 結構，并按照目標機械結構自主組裝。

基于此，活性材料可以考慮生物分子馬達（biomolecular motor），其主要由生物大分子構成，可有效地將化學能轉化為機械能。生命體的一切活動，包括肌肉收縮、物質運輸、DNA 復制、細胞分裂等，追蹤到分子水平都是來源于具有馬達功能的蛋白質大分子做功推送的結果。

最近的研究表明，在體外，生物分子馬達可以由活性收縮材料組成，并且人工地將分子馬達組織成大陣列取得了一些進展，這些陣列可以達到活細胞中肌肉收縮所產生的力和運動水平。

在之前的工作中，就有研究者提出了一種具有光誘導的分子馬達收縮網絡，在紫外線 ( UV ) 照射下，形成肌肉狀分層組織。如果將這種網絡固定在照射區域，就會產生微牛頓拉力。這種人造肌肉將分子馬達的納米級作用放大到工程系統的宏觀運動。人造分子馬達的擴展性和收縮性都比較強，為微型機器人的應用提供了希望。

現在，來自大阪大學、岐阜大學等機構的研究者提出了一種原位制造微型機器人的方法。該研究登上《Science Robotics》封面。

論文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.aba8212

該研究首先用到了微流控芯片，它能將水凝膠機械結構（水凝膠預聚物）和人造肌肉執行器（生物分子馬達）通過光流光刻技術連續圖形化，并在原位集成到一個功能機器人系統中。

其次是 PEGDA（聚乙二醇二丙烯酸酯）水凝膠，其具有可調節的機械性能、優異的生物相容性和穩定性，以及在非離子表面活性劑的幫助下在水環境中可以移動等特點而被廣泛應用。該研究將 PEGDA 水凝膠的機械性能和人造肌肉的收縮特性結合，以改進微型機器人的設計。

下圖是使用該研究提出的原位微型機器人制造方法生產微型機械抓手的過程。其中，微流控芯片由聚二甲基硅氧烷 ( PDMS ) 制成，這是一種高分子有機硅化合物，包含多個用于混合、制備和集成的微通道。

為了驗證所提方法，該研究制造了運動方式不同的微型機器人和具有獨特特性的片上機器人。

人造肌肉可以連接部件的不同部位，下圖以微型機械臂為例說明了該研究所提方法的有效性。該機制模仿了人體的肌肉骨骼系統，并使用肌腱狀的支柱來有效地傳遞力。這種微型機械臂是用水凝膠快速制備而成，如下圖 ( B ) 所示。在下圖 5 ( C ) 中，在左右兩側依次對人造肌肉進行光化處理，并通過雙向旋轉機械臂關節進行驅動測試。根據收縮特性，前臂立柱產生的力為 0.8 μN，關節產生的扭矩最大為 9.6 × 10^−11 N · m。關節旋轉角度隨時間變化情況如下圖 ( D ) 所示。