具備無線傳感與操控能力的智能微型系統(tǒng)，被認(rèn)為是推動(dòng)生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的重要方向。但在毫米乃至更小尺度上，傳感與驅(qū)動(dòng)往往互相“打架”，使系統(tǒng)難以同時(shí)做到小型化、穩(wěn)定和高性能。近期發(fā)表于《科學(xué)?機(jī)器人學(xué)》期刊的一項(xiàng)研究提出了新的解決方案。

華中科大臧劍鋒、唐翰川團(tuán)隊(duì)聯(lián)合港中文張立團(tuán)隊(duì)提出微機(jī)器人傳感器“Robotic Sensor”方案：將嵌入式超聲軟傳感器（EUSS）與磁驅(qū)微型機(jī)器深度一體化，并在機(jī)體上設(shè)計(jì)機(jī)載換能單元（onboard transducers）。系統(tǒng)依靠無源超聲通信配合外部磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)力、振動(dòng)、黏度、溫度等關(guān)鍵參量的無線檢測(cè)與調(diào)控；在兔/豬模型中進(jìn)一步展示了閉環(huán)控制、精準(zhǔn)給藥、在體監(jiān)測(cè)的可行性。論文以“Miniature magneto?ultrasonic machines for wireless robotic sensing and manipulation”為題，發(fā)表于Science Robotics。論文通訊作者為華中科技大學(xué)臧劍鋒教授、唐翰川副教授及香港中文大學(xué)張立教授，第一作者為香港中文大學(xué)博士生劉旭睿與華中科技大學(xué)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(qū)、穩(wěn)定的通信和高靈敏的傳感裝進(jìn)同一臺(tái)微機(jī)器，會(huì)出現(xiàn)多重牽制：

• 電池式生物電子：體積與質(zhì)量上升，磁驅(qū)機(jī)動(dòng)性下降；
• 電磁耦合：通信距離短、對(duì)環(huán)境場(chǎng)敏感、易互擾；
• 磁—機(jī)械諧振器：靠近鐵磁體容易改頻，精度與穩(wěn)定性受影響；
• 超聲方案：雖具深穿透、對(duì)磁場(chǎng)不敏感的優(yōu)勢(shì)，但一直缺乏微型化、易集成的實(shí)現(xiàn)路徑。

解決思路|微型機(jī)器人傳感器

把超聲軟傳感器直接做成微機(jī)器結(jié)構(gòu)的一部分，讓它既是環(huán)境接口也是讀出端口。

圖1：機(jī)器人傳感器的設(shè)計(jì)與工作機(jī)理

• 二維聲子晶體：在硅橡膠基體內(nèi)有序嵌入空氣腔陣列，形成結(jié)構(gòu)相關(guān)聲學(xué)帶隙；
• 工作機(jī)理（圖1D）：外部磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)→機(jī)器產(chǎn)生微形變→微泡陣列形變→超聲反射頻譜出現(xiàn)可測(cè)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(jī)載電子/電池，也不依賴傳統(tǒng)模/數(shù)鏈路；

圖2：傳感器表征與性能評(píng)估

在水槽模擬軟組織開展角度與頻譜表征：實(shí)驗(yàn)裝置見圖2A。法向入射回波峰≈6.13 MHz；θ=0°時(shí)隨φ變化基本不變（圖2B）；θ增至15°出現(xiàn)明顯角度依賴，法向幅值最大（圖2C），±θ譜形對(duì)稱（圖2D）。結(jié)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(nèi)可穩(wěn)定通信。循環(huán)加載顯示頻移隨應(yīng)變2–20%單調(diào)變化（圖2H、2I）；在5%預(yù)載下，0.1%/0.2%應(yīng)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(jī)器人的振動(dòng)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(fā)癥；而在毫米尺度，將無線力傳感與磁驅(qū)一體化又很困難。作者構(gòu)建集成雙EUSS的磁軟夾持器（圖3A）：鐵磁軟聚合物實(shí)現(xiàn)無線磁驅(qū)，接觸時(shí)EUSS順應(yīng)形變并以超聲頻移讀出受力，標(biāo)定靈敏度6100 Hz/mN、分辨率61.3 μN(yùn)（圖3D）。在超聲引導(dǎo)下完成對(duì)3 mm鮭魚卵的抓取—提升—釋放，力始終受控（圖3B–C）。進(jìn)一步面向腦組織等場(chǎng)景，提出帶EUSS的螺旋型磁機(jī)器人用于搏動(dòng)振動(dòng)感知與反饋導(dǎo)航（圖3E）。在軟組織仿體中，遠(yuǎn)離血管頻移Δf1<0.005 MHz，靠近時(shí)Δf2>0.04 MHz，提供安全距離指示并指導(dǎo)改變路徑（圖3F–G）。

圖4：具備精準(zhǔn)劑量感知與定點(diǎn)給藥功能的無線膠囊機(jī)器人

精準(zhǔn)控釋與劑量監(jiān)測(cè)是藥物遞送的核心難題，尤其在無線的小尺度場(chǎng)景。作者提出機(jī)械響應(yīng)型膠囊機(jī)器人：儲(chǔ)液腔（≤150 μL、雙50 μm微孔）+磁嵌活塞+EUSS軟條（圖4A）。外磁場(chǎng)推動(dòng)活塞壓縮腔體，使近不可壓液體被定量推出，同時(shí)拉伸EUSS并產(chǎn)生回波頻移Δf，實(shí)現(xiàn)“邊釋放、邊計(jì)量”（圖4B）。在豬胃離體模型中完成滾動(dòng)導(dǎo)航與定點(diǎn)釋放（圖4C），頻移呈階梯信號(hào)，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(nèi)，X線+超聲雙模引導(dǎo)定位（圖4E–G），三次劑量幾乎一致（4.49、4.91、4.53 μL），并可擴(kuò)展至更大劑量調(diào)控（圖4H，圖S29）。結(jié)果表明該平臺(tái)兼具無線操控與精準(zhǔn)劑量感知，適用于在體靶向遞送。

圖5：用于原位無線黏度監(jiān)測(cè)的磁性機(jī)器人

體液黏度與多種疾病密切相關(guān)，但現(xiàn)有監(jiān)測(cè)多侵入、難以長期原位。作者提出黏度計(jì)微機(jī)器人：由振動(dòng)片-EUSS-支撐/底座組成（圖5A），在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)下振動(dòng)，流體黏滯阻尼使EUSS產(chǎn)生周期拉伸并引起超聲頻移Δf（圖5B–C）。標(biāo)定表明在1–8 mPa·s范圍，指標(biāo)Δf1-Δf2隨黏度升高單調(diào)減?。▓D5D）。在豬模型中，經(jīng)導(dǎo)管將機(jī)器人置入胃部，透視、內(nèi)鏡與超聲聯(lián)合定位（圖5E–H），注入PBS/7 mPa·s模擬胃液與血液后，系統(tǒng)可在數(shù)秒內(nèi)實(shí)時(shí)讀出黏度變化（圖5I）。

圖6：可實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)與熱消融的無線磁性機(jī)器人

熱療與炎癥監(jiān)測(cè)亟需實(shí)時(shí)溫度讀數(shù)，缺乏反饋易致穿孔等并發(fā)癥。作者提出“磁溫度計(jì)機(jī)器人”，由EUSS、螺旋雙金屬片與磁驅(qū)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(chǎn)生超聲頻移Δf，無線測(cè)溫；同一結(jié)構(gòu)亦可受RF加熱用于治療（圖6B–D）。系統(tǒng)在30–60°C穩(wěn)定工作，55°C時(shí)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(nèi)，機(jī)器人經(jīng)定位進(jìn)入胃部，三次10 s RF加熱，超聲持續(xù)讀出36–38°C波動(dòng)（圖6H–J）。平臺(tái)實(shí)現(xiàn)“感知+加熱”一體化，為安全熱消融提供閉環(huán)支持。

總結(jié)|無線感知+反饋操控

微型機(jī)器要“能感能控”，長期受制于小型化、時(shí)空分辨率、通信距離與傳感-驅(qū)動(dòng)互擾等難題。本研究將嵌入式超聲軟傳感器（EUSS）與磁驅(qū)微型機(jī)器深度耦合，構(gòu)建無線傳感平臺(tái)，可檢測(cè)并調(diào)控力、振動(dòng)、黏度、溫度等信號(hào)，在體外/在體完成微操作、靶向給藥與生理監(jiān)測(cè)驗(yàn)證。EUSS穩(wěn)健小型、應(yīng)變分辨高、通信深入，一器多用（傳感/處理/天線），與執(zhí)行器同體集成且不降性能；通過調(diào)整振動(dòng)片、雙金屬尺寸等結(jié)構(gòu)參數(shù)可擴(kuò)展量程與靈敏度，并可繼續(xù)縮小傳感/換能單元。該平臺(tái)為微型機(jī)器引入“本體感知+外界感知”為微型機(jī)器在醫(yī)學(xué)應(yīng)用的發(fā)展提供新的思路。

論文鏈接：

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