栗子 鱼羊 发自 凹非寺 : `4 ]- x7 O6 u! @
量子位 报道 | 公众号 QbitAI
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人类大脑里,血管又细又曲折,管壁还很脆弱。 Z8 X, Q0 u1 B& A+ }' n
于是,一旦发生血管栓塞,医生要小心翼翼把导管插到精确的位置,再用激光去除血栓。 / i4 j0 J7 I2 Q
操作很难一次成功,手术过程漫长艰辛。
) f) j1 D3 i- U2 |3 ~5 v& ~) g& O但现在,MIT团队开发了一只新的机器人,就是这条优雅的黑线: 1 r, ~+ F' g; w1 ~% g
* T4 J4 t+ `& Y! m5 |细长柔软的它,在狭窄蜿蜒的通道里,也能快速自如地穿梭,大角度转弯都难不倒。
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一个秘密是,机器人的内心是磁力驱动的。 3 p& Z! X! b+ ~1 K3 c# m
从前,医生直接动手插入导管,碰到急转弯就很难操作,进度缓慢;而磁驱动的机器人,头部可以快速转向,更顺利地到达目的地。
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另一个秘密,是机器人的水凝胶皮肤,把摩擦力降到了原来的1/10,也是车速加快的关键。; D2 o. y* |+ Q$ G
6 A I: F% W/ s( Q外表柔软,内心坚定。清除血栓,可以变得更快更精确。 % W1 E* u" U$ V* g+ q+ m2 }
把这样的机器人用在微创手术里,可以降低对医生经验的要求,也可能通过远程控制,在医疗资源匮乏的地区派上用场。 0 T0 ~, r; _% J$ s9 c8 b" ^5 w. M
于是,它登上了最新一期的Science Robotics。 7 @3 v. i5 p$ @5 Y5 T- M1 M, a2 W
外表柔软,内心坚定
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% d7 k K/ p: K7 N r. g团队说,虽然传统的导丝,也是在里面用了金属合金,在外面涂了聚合物;
9 S8 h7 g/ V3 I$ }/ U但这样的材料会产生摩擦力,再加上机械的驱动方式,如果卡在一个狭窄的空间,很容易破坏血管的内壁。 " w" G/ E& o3 ~" G& i
所以,驱动和摩擦,这两个问题都要解决。 * b8 o8 T' `- q: ]! z& Z6 ^" N
首先,团队想到了磁力控制。团队在柔软有弹性的、镍钛合金的油墨 (Ink) 里,加入了钕铁磁:
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; i C K' n% |& r N u$ n6 l你看,左边是没有额外添加磁性的油墨,画成了一滩泥;右边加上磁性,就站起来了。 . Z ^0 @8 j2 K1 ]
这便是机器人内在的材质。下一步要解决外在的皮肤。
' q" H) \/ c# h4 [3 s; t开始,团队是用普通的橡胶膏 (Rubber Paste) 来做涂层,但这种材料会影响机器人对磁力的反应。
7 U* y/ T: J& Q5 g9 U1 C3 M' V后来,研究人员选择了水凝胶,它除了不会让机器人对磁力的反应变弱,还拥有平滑的表面,可以把摩擦力降到原来的1/10。
1 X7 ] Z3 Z. v1 n$ }另外,水凝胶的生物相容性,对人体也更加友好。
; E* H# V( u. w1 Z用这两种材质造出的机器人,感受到不同的磁场,就能实现不同程度的转弯:
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你看,水凝胶皮肤 (左) 与普通皮肤的机器人相比,速度快了许多:
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只要在头部加上激光,就可以用来清除血栓。另外,定点给药也可以达成。
. A, z& a1 S! x9 {$ x; ?2 Y2 f那么问题来了,内外这两种材质,是怎么变成机器人的呢? . r1 E) [: w; ^: y
这只软体机器人是用3D打印技术制作。 1 b1 v: J! F. Y+ {1 o' t6 p/ }
% P- f/ w3 k- _/ }3 n不同于熔融的热塑性聚合物的常规挤压,3D打印不需要通过加热来溶解、流化油墨。磁化油墨的剪切稀化(假塑性)表现使得复合油墨在加压后能轻松挤出,并且屈服应力的存在能使油墨保持形状,形成一条线,而不是变成一滩糊糊。
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当需要额外的机械支撑或功能时,可以通过注射成型技术将功能核心结合到机器人的“身体”当中。 + ?: ~+ n) A$ G2 ?( Q+ c
此外,由于铁含量高,铁磁合金容易被腐蚀。 1 I+ \" |4 x6 }5 a7 l8 A1 x# G
为了防止嵌入的钕铁硼颗粒在与水凝胶皮肤的水合界面处被腐蚀,研究团队在颗粒周围涂上了一层薄二氧化硅。
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颗粒形成交联的二氧化硅壳,厚约10nm,能有效地抗击腐蚀。 9 y" d! P9 J5 G9 y5 ^
仍在进化中; g; I! E# c( @& p( J3 v
0 M5 h- |: r: G% c6 E g甫一出生,这条“线”已经展现出了巨大的潜力。 ! W; h" w3 _0 B1 M$ f0 \
首尔国立大学软体机器人未来科技中心主任Kyu-Jin Cho评价说:
" Q2 ^$ }) g4 Z! b% ]4 h" Q这个机器人设计简单,比起传统的商业导管来说,也更稳定,更安全。对于脑科医生而言是能解决大问题的。/ t! J( U8 f5 L6 Z
不过,虽然潜力无穷,这个机器人还是进化中的状态。团队表示,未来可期,仍需努力。
5 V. C7 t* a! H! f$ K9 O首先,团队希望在下一步工作中,给机器人加入精准传感器,实现微流体给药,超声以及电治疗功能。 & O3 ]1 p) ?0 \; a3 E3 [( u! T
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而更重要的,是实现远程控制。
0 v6 Z2 r& y6 o) E/ j4 @% f就像他们一开始所设想的那样,团队希望在这款机器人的帮助下,医生不必靠近放射源,也能在复杂血管中进行快速导航和微创手术。 ! W* O# g* O @5 A/ T
这样一来,就避免了X射线反复辐射对医生造成的伤害。
2 y+ i3 _. \+ R; A更重要的一点是,这能让那些身在医疗资源缺乏地区的患者,也能及时接受治疗。
. |5 f* k* G; @) _; z要知道,如果患者能在急性中风的前90分钟得到治疗,生存率能明显提高。 ! l$ _4 e9 r; |* {
论文一作Yoonho Kim希望结合现有的磁性技术血管手术方法来快速实现这一点。
1 }, _2 }; G9 A6 O现有的技术可以在施加磁场的同时,对患者进行透视检查,如此一来,医生可以在另一个房间,甚至在不同的城市,用操纵杆来控制磁场,引导我们的体内机器人完成手术。% b0 z# x, j% ]/ J
MIT团队7 |$ V) B) q! @ ]
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机器人的创造者们来自麻省理工学院华人教授赵选贺的团队。 & h# p3 N! k3 P9 X; G
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论文通讯作者赵选贺教授本科毕业于天津大学,此后先后在不列颠哥伦比亚大学和哈佛大学求学,拿下了哈佛大学的机械工程博士学位。 # J" b/ a1 {* ?# n# ]
他专注于软材料和生物电子学的研究,有关磁驱动实现复杂3D形状之间快速转换的论文曾登上过Nature封面。 , w8 P* g( H |7 O
论文一作则是来自韩国的Yooho Kim。 ! a+ `9 l/ u Y; X8 M
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Yooho Kim小哥以优异的成绩从韩国首尔大学毕业,目前正师从赵选贺教授攻读博士,研究方向包括软活性材料的制造与设计,软材料力学,以及用于生物医学应用的非常规软机器人。 7 h, P3 `6 x/ V& y d6 g( I; K
论文的其他作者还包括German Parada和清华大学的访问学生刘圣铎。 & B- G! v k. _3 N6 M9 d2 \7 J$ V
传送门& b! @3 f1 d1 Y6 l
- ~: X0 P* z5 M3 n; L, r论文地址:
5 t2 X1 D, Z( j! Qhttps://robotics.sciencemag.org/content/4/33/eaax7329/tab-pdf
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来源:http://mp.weixin.qq.com/s?src=11×tamp=1567154220&ver=1821&signature=3ewlo7qGb07FRDhiQtd**j3EcJVTMj3IGpJoaSHSASk-MIHObvSTfikemiQA*crDdLrLP7mqgcsnlolsX4btM9dx27jiiN1kRMgjBfQQYR15f*cXNle*IhogB6UTpSmB&new=1* [9 |. p2 Z; }; _2 Z- T
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